Fuusioreaktori

Wikipedia

Seuraavan sukupolven ITER-fuusiolaite on tokamak-tyyppiä.
Suurenna
Seuraavan sukupolven ITER-fuusiolaite on tokamak-tyyppiä.


Fuusioreaktori on reaktori, joka tuottaa energiaa ydinfuusion avulla. Tavallisimmassa fuusioreaktioissa vety yhdistyy heliumiksi ja tuottaa energiaa. Ydinfuusio tuottaa suuria energiamääriä fuusioituvaa ainekiloa kohden, ja fuusioituva aine vety on maailmankaikkeuden yleisin alkuaine. Fuusioreaktori ei ole vielä sähköntuotantokäytössä, vaikka fuusiotutkimukset ovat edistyneet hyvin vuosikymmenten kuluessa. Eräissä fuusiokokeissa JET-reaktorilla on hyvin pienen hetken saatu reaktorista ulos enemmän tehoa, kuin mitä siihen on syötetty. Nyt tutkijat yrittävät rakentaa laitteen, jossa fuusio jatkuisi pidempään.

Fuusioreaktiota tapahtuu luonnossa muun muassa Auringon ja tähtien ytimissä. Vetypommissa tapahtuu atomipommilla sytytetty hallitsematon fuusio, jonka tarvitsee tapahtua vain hetken. Mutta fuusioreaktorin on toimittava pidempään kuin ydinräjähteen. Fuusiotutkijoita onkin sanottu "vetypommin kesyttäjiksi". Parhaiten onnistuneissa kokeissa fuusioitava aine on puristettu kasaan hyvin voimakkailla magneettikentillä ja kuumennettu erittäin suurilla sähkövirroilla plasmaksi. Yleensä tutkimusfuusioreaktorit ovat munkkirinkilän, toruksen muotoisia tokamak-laitteita. Tokamak ei useinkaan toimi pitkään, koska niissä kuuma plasma "läikkyy yli" magneettikentästä. Fuusiolaitteiden edistys on ollut huimaa, 2000-luvun fuusiolaitteet tuottavat tuhat-miljoonakertaisesti enemmän energiaa kuin 1970-luvun laitteet ja nykyään ollaan melko lähellä jatkuvatoimista, runsaasti energiaa tuottavaa reaktoria. Seuraava fuusiolaite onkin tehokas koereaktori ITER, joka ei tuota sähköä, mutta jossa tutkitaan kaupallisen fuusioreaktorin tekniikkaa. Ensimmäisen sähköä tuottavan fuusioreaktorin, DEMO:n uskotaan valmistuvan joskus 2050, jos tutkimuksen etenevät nykyistä vauhtia. Jos fuusioreaktori saadaan toimimaan, se saattaa ratkaista maailman energiaongelman. Fuusion palamistuote helium on saasteeton, mutta reaktorin säteilemät protonit ja neutronit saastuttavat reaktorin rakenteet.

Sisällysluettelo

[muokkaa] Fuusioreaktio

Pääartikkeli: Fuusioreaktio
Deuterium-tritium-fuusioreaktio.
Suurenna
Deuterium-tritium-fuusioreaktio.

Fuusioreaktiossa kevyet alkuaineet yhtyvät raskaammiksi alkuaineiksi. Yleisin fuusireaktio on vetyatomien yhdistyminen heliumiksi.

[muokkaa] Fuusioreaktio vaatii riittävän lämpötilan ja tiheyden sekä koossapitoajan

Fuusio on vaikea toteuttaa, koska kaikki atomiytimet ovat positiivisesti varautuneita ja siten hylkivät toisiaan. Ytimiä ympäröi sähköinen suojavalli, joten niiden välillä vaikuttaa poistovoima. Jos kuitenkin ytimiä puristetaan tai törmäytetään kyllin lujaa toisiaan vastaan, atominytimet yhdistyvät. Fysiikasta tiedetään, että lämpö on aineen pienimpien osasten liikettä. Lämpötilan kasvaessa atomit ja niiden ytimet liikkuvat yhä nopeammin. Riittävän korkeissa lämpötiloissa atomin ytimet liikkuvat niin nopeasti, että törmäävät toisiinsa sähköisistä poistovoimista huolimatta. Törmäyksessä ytimet yhdistyvät ja vapautuu suuri määrä energiaa. Maan oloissa 100-150 miljoonan asteen lämpötilassa vetyatomien liike on jo niin nopeaa, että vety-ytimien positiiviset varaukset eivät enää riitä hylkimään atominytimiä. Auringossa fuusio tapahtuu jo matalammassa, kymmenen miljoonan asteen luokkaa olevassa lämpötilassa, sillä aineen tiheys on siellä huomattavasti suurempi. Fuusiota siis edistää korkean lämpötilan lisäksi suuri tiheys.

[muokkaa] Lawsonin kriteeri

Jotta fuusioreaktio alkaisi, fuusioituva vety pitää kuumentaa riittävän korkeaan lämpötilaan, puristaa riittävän tiheäksi ja pitää koossa riittävän kauan. Näin fuusiolaitetta luonnehtii se, täyttääkö se tietyssä lämpötilassa tarvittavan hiukkastiheyden n ja koossapitoajan tau tulon. Tietylle lämpötilalle N*tau on Lawsonin kriteeri.

[muokkaa] Deuterium-tritium-reaktio

Nykyään kaupallisessa käytössä oleva ydinvoima, fissio, toimii eri periaatteella kuin fuusio. Fissiossa raskas ydin, tavallisesti uraani tai plutonium, hajoaa kahdeksi kevyemmäksi, kun sitä on ensin pommitettu neutroneilla. Vedyn helposti fuusioituvia raskaita alalajeja, ovat deuterium D ja tritium T. Käytännössä ensimmäinen fuusioreaktori toteutetaan (jos fuusiota yleensä saadaan toimimaan reaktorissa) käyttäen deuterium-tritium-fuusiota eli DT-fuusiota, koska se on helpoin toteuttaa ja myös tuottoisin. Tämä reaktio vaatii toimiakseen 100 miljoonaa astetta. Deuterium-deuterium-reaktio vaatii jo 600 miljoonaa astetta.

D-T-reaktio tuottaa heliumia ja energiaa deuteriumista ja tritiumista.

{}^3_1\hbox{T}+{}^2_1\hbox{D}\to{}^4_2\hbox{He}+\hbox{n}

Yksi D-T reaktio vapauttaa 17,6 MeV energiaa eli grammasta fuusioituvaa ainetta tulee 95000 kWh sähköä.

Eräs deuterium-tritium-reaktorin rasite on se, että se vaatii litiumia, josta reaktorin tuottamat neutronit pilkkovat tritiumia. Alkupanokseksi vaaditaan valmista tritiumia jonkun verran. Tämä tritium voidaan tuottaa fissiotutkimusreaktorissa tai vastaavassa. Litiumin määrä on maan pinnalla rajallinen. Tämän reaktion tuottamat hyvin suurienergiaiset neutronit ovat vaarallisempia kuin D-D-reaktion tuottamat. Reaktori ei liene ainekiloa kohden käytännössä yhtä tuottoinen kuin D-D-reaktori.

[muokkaa] Deuterium-Deuterium-reaktio

Pääasiallinen deuterium-deuterium-reaktorin etu on, että se ei vaadi polttoaineeksi litiumia tai tritiumia.

{}^2_1\hbox{D}+{}^2_1\hbox{D}\to{}^3_2\hbox{T}+\hbox{p}

ja myös

{}^2_1\hbox{D}+{}^2_1\hbox{D}\to{}^3_2\hbox{He}+\hbox{n}

D-D-reaktorin etuja on riippumattomuus tritiumista tai litiumista, luultavasti hieman pehmeämpi neutronisäteily.

[muokkaa] Fuusioreaktio radioaktivoi fuusioreaktorin aineen

Fuusioreaktiot vapauttavat ylimääräisiä neutroneita tai protoneja, jotka ovat vaarallista ionisoivaa säteilyä, ja saattavat radioaktivoida reaktorin materiaaleja. Tämän takia yhtä fuusioreaktoria voidaan käyttää vain muutaman vuosikymmenen ajan korkeintaan. Lopulta reaktorin materiaalit alkavat säteillä vaarallisesti, reaktori on hajotettava ja haudattava esim. betonin sisään. Reaktorin osat saattavat pysyä vaarallisen radioaktiivisina muutamia satoja vuosia.

[muokkaa] Fuusioituvan vetyplasman koossapito on vaikeaa

Fuusioitava vety on kuumennettava korkealämpötilaiseksi plasmaksi, jota voidaan pitää koossa magneettikentillä "magneettisessa pullossa". Plasmassa ovat positiivisesti varautuneet atomin ytimet ja elektronit irti toisistaan. Vety on plasmaa yli 100000 kelvinin lämpötilassa. Pullon vaatimat voimakkaat magneettikentät on saatu aikaan suurilla suprajohtavilla käämeillä, joissa kulkee valtava virta. Plasman pidempiaikainen koossa pitäminen on osoittautunut ongelmalliseksi. Kuumassa, magneettisessa plasmassa on nimittäin monia epävakaisuusilmiöitä. Magneettifuusiolaitteissa kuumennettu vety on pidettävä irti reaktorin seinämistä, koska mikään seinämä ei kestä plasman 100 miljoonan asteen lämpötilaa. Plasmassa on epävakaisuuksia eli se värähtelee. Usein yritykset vakauttaa plasmaa ovat tuottaneet uusia epävakaisuuksia. Eri fuusiolaitteilla on eri epävakaisuuksia. Eräs kaikille laitteille tyypillinen on uurre-eli vaihtoepävakaisuus. Yleensä epävakaisuudet johtuvat magneettikentän voimaviivojen kaartumisesta.


[muokkaa] Reaktorityypit

Yleisimmät reaktorityypit ovat munkkirinkilän muotoinen Tokamak-tyyppinen reaktori ja stellaraattori.

[muokkaa] Tokamak

Tokamakin magneettikenttä ja virta
Suurenna
Tokamakin magneettikenttä ja virta

Tokamak on tavallisin tapa toteuttaa fuusioreaktoriin liittyvissä tutkimuksissa fuusiolaite. Tokamak on suhteellisen yksinkertainen rakenteeltaan ja helpohko toteuttaa. Tämän takia Tokamakeja on rakennettu moniin maihin. Tokamak on munkkirinkilän eli toruksen muotoinen tyhjiökammio, jota ympäröivät voimakkaat magneetit. Kammion keskellä on ohut kuuma vetyplasma, jota kuumennetaan ja pidetään paikoillaan miljoonien ampeerien suuruisilla sähkövirroilla. Magneettikentät ovat monia tesloja, ja Tokamak vaatii kymmenien megawattien sisäänsyötön toimiakseen.

Tokamakissa fuusioituva deuterium kuumennetaan vaihtuvalla magneettikentällä kuumaksi plasmaksi, joka pidetään renkaanmuotoisen kammion keskellä. Alussa plasmaa kuumentaa muuttuvien magneettikenttien aiheuttama virta noin 30 miljoonaan asteeseen asti, myöhemmin jokin muu, esimerkiksi hiukkassuihkut tai radiotaajuinen sähkökenttä. Plasman keskellä lämpötila on 100 miljoonaa asettta, reunalla 2000 astetta. Plasmaa pitävät koossa ulkoiset magneettikentät ja plasmassa tapahtuvien virtojen aiheuttamat kentät. Nimi tokamak tulee venäjän sanoista "тороидальная камера в магнитных катушках" (toroidal'naya kamera v magnitnykh katushkakh, toroidinen kammio magneettikäämien sisässä). Tokamakin idean esittelivät venäläiset fyysikot Tamm ja Saharov 1951.

Tokamakin kehittely alkoi vakavasti Neuvostoliitossa 1960-luvulla. Tuleva koefuusioreaktori ITER on rakenteeltaan Tokamak. Koska plasmassa oleva magneettikenttä on torusmainen, se vakauttaa plasmaa luonnostaan. Plasma näet pyrkii vaeltamaan pitkin magneettikenttää, ja suorassa päistään puristetussakin "tukitussa" magneettikentässä plasma karkaa helposti.

Magneettikenttä on renkaassa olevan ruuvikierteen muotoinen. Rengaskammion poikkileikkaus on yleensä ulospäin osoittava D. Toruksen muoto on sopiva, koska plasmalla on taipumus virrata tiettyyn suuntaan pitkin magneettikentän voimaviivoja. Näin plasma kiertää toruksessa. Tokamaksissa on teoriasta huolimatta monia epävakaisuusilmiöitä, ja näin ollen siinäkään ei ole onnistuttu pitämään fuusioreaktiota käynnissä kyllin kauan.

[muokkaa] Stellaraattori

 Stellaraatorin magneettikentät ja magneetit.
Suurenna
Stellaraatorin magneettikentät ja magneetit.

Toinen ratkaisu, stellaraattori, muistuttaa tokamakia, mutta plasmavirroilla ei siinä ole merkitystä plasman koossa pitämisessä. Stellaraattoria on tutkittu vähemmän kuin tokamakia.

Stellaraattorissa pyritään välttämään joitain plasmalle tyypillisiä epävakaisuuksia, joita tokamakissa on. Stellaraattori on tokamakia mutkikkaampi käytännössä ja teoriassa. Monet stellaraattorin osat ovat vaikeampia tehdä kuin tokamakin osat. Jotkut plasmatutkijat pitävät USA:ssa 1950-luvulla kehitettyä stellaraattoria tokamakia kehittyneempänä, parempana ratkaisuna. Stellaraattoria on tutkittu Yhdysvalloissa, Saksassa ja Japanissa. Stellaraattorin plasmatila on mutkainen torus.

[muokkaa] Laserfuusio

Laserfuusiolaitteessa lasersäteet puristavat fuusioituvaa ainetta sisältävän pienen pillerin (pelletin) kasaan. Puristuminen perustuu kuumenemisen aiheuttamaan pelletin pintakerroksen laajenemiseen. Näissä tutkimuksissa ei ole saatu fuusiota aikaan. On myös tutkittu pelletin puristamista ioneilla tuloksetta. Ei ole kehitetty tarpeeksi tehokkaita lyhytaaltoisia lasereita. Vuoteen 1999 tutkittiin fuusion sytyttämistä NOVA-laserilla, ja nykyään NIF:llä (National Ignition Facility).


[muokkaa] Fuusion hyödyt ja haitat

Fuusio on parempi energianlähde kuin biomassa, tuulivoima, vesivoima ja auringon energia. Sillä on etuja, kun sitä vertaa tavalliseen ydinvoimalaan ja hiilivoimalaan. Fuusiossa yhdistyvät monet ydinvoiman ja polttoaineita polttavien ja luonnosta saatavien, kuten vesivoiman tyyppisten energianlähteiden eduista. Fuusiovoimala voidaan rakentaa minne tahansa, ja siihen saa loppumattomasti polttoainetta, ja se toimii säästä riippumatta.

Fuusion etu on käytetyn polttoaineen yleisyys ja runsas energiantuotto ainekiloa kohden. Vedyn polttaminen sekä kemiallisesti että ydinreaktiossa on runsaasti energiaa tuottavaa. 1 kg vetyä tuottaa kemiallisesti palamalla 119 megajoulea. 1 kg vetyä fuusioreaktiossa tuottaa yli viisi miljoonaa kertaa enemmän 600 terajoulea. Kemiallinen palaminen vapauttaa kemiallisen sidoksen energiaa, mutta ydinreaktio atominytimen sisäistä vahvan ydinvoiman sidosenergiaa. Fuusion käyttö ydinvoiman tuotannossa toisi monia etuja suhteessa nykyisissä voimaloissa käytettyyn fissioreaktioon. Fuusion polttoainetta on luonnossa käytännössä rajattomasti, vety on hyvin yleinen alkuaine. Deuteriumia saadaan merivedestä valtavat määrät, joka 5000:s vetyatomi on deuteriumatomi. Tritiumia saadaan tuotettua litiumista pommittamalla ainetta neutroneilla. Lisäksi fuusion tuotteena syntyvä helium ei ole radioaktiivista eikä muutenkaan vaarallista, joten mitään käytetyn polttoaineen sijoitusongelmaa ei synny.

Fuusioreaktori on turvallinen, koska fuusio ei reaktori sammutettuna jatku minuuttia kauemmin. Fuusioreaktiota on helpompi hallita kuin fissiota, koska se vaatii äärimmäiset, tarkoin määriteyt magneettikenttä, lämpötila ja paineolosuhteet. Vaikka fuusioreaktorin jäähdyttimeksi ja tritiumin raaka-aineeksi aiottu litium on helposti syttyvää, sitä on reaktorissa kerrallaan vain noin kilon verran.

Reaktori saattaa vaurioitua magneetin "räjähtäessä" mutta tämä vastaa lähinnä normaalia teollisuusonnettomuutta.

Ei osata sanoa, tuleeko fuusiovoimalasta suhteellisen kallis vai halpa rakentaa ja käyttää. Jotkut olettavat fuusion olevan hieman halvempaa kuin muut, toiset muutaman karran kalliimpaa.

Aivan täysin ongelmaton fuusioreaktori ei ole. Fuusioreaktorin ennustetaan saastuvan ajan myötä vaarallisen radioaktiiviseksi, koska fuusioreaktori säteilee neuroneja noin 100 kertaa enemmän kuin fissioreaktori.

Tätä radioaktiivisuutta on kuitenkin melko lyhyt aika, arvailujen mukaan muutaman sadan vuoden verran, kun uraanipohjainen fissioreaktori tuottaa jätettä, joka pysyy vaarallisen radioaktiivisena kymmeniätuhansia vuosia.

[muokkaa] Fuusiotutkimus

Fuusioon tarvittava lämpötila ja tiheys on saavutettu, samoin plasman koossapito onnistuu kohtalaisen hyvin. Ongelma fuusiokokeiluissa on ollut plasman "läikkyminen yli" magneettisesta pullosta. Fuusiotutkimuksessa on ollut suuntana hitaasti yhä parempiin tehoihin menevä kehitys, mutta vasta hetkellisesti on reaktorista saatu ulos suurempi teho kuin siihen on syötetty. Nykyään fuusio on pystytty pitämään käynnissä vain muutamia sekunteja. Kaikki rakennetut laitteet ovat olleet vasta koelaitteita. Fuusiokokeissa on aina käynyt niin, että kun yksi ongelma on ratkaistu, tulee muita tilalle. Todellisen reaktorin oloja ei ole tutkittu. Nykyajan tutkimus on siirtymässä reaktorimateriaaleihin.

Fuusioreaktorin pintamateriaalien olisi kestettävä kovaa kuumuutta, ja neutronisäteilyä, jäähdytyksen olisi toimittava hyvin pitkiä aikoja. Samalla kun reaktorin pintamateriaali hehkuu kovassa kuumuudessa, sen käämien olisi pysyttävä noin 200 asteen pakkasissa. Litiumvaippa jäähdyttää reaktorin sisäpinnan. Monet ehdotetut materiaalit ovat joko nopeasti lämmössä ja säteilyssä kuluvia tai hidastavat pieninä määrinä hiukkasina leijuessaan fuusioreaktiota, tai muuttuvat reaktorin säteilyssä helposti radioaktiivisiksi.

[muokkaa] Fuusiotutkimuksen tila kymmenisen vuotta sitten

Fuusiotekniikkaa on tutkittu 1950-luvulta lähtien. Euroopan tunnetuimmassa fuusiolaitteessa JET:issä saatiin 1991 noin 1 megawatti 2 sekunnissa, mutta energiankulutus oli 15 megawattia. Tämä tulos oli huomattavasti parempi kuin 70-luvulla, jolloin toiveet fuusiosta ennen vuotta 2000 olivat jo hiipuneet. 1994 USA:ssa tuotettiin 10,7 MW yhden sekunnin ajan satojen megawattien kulutuksella. Edistys on ollut aikaisemmasta valtavaa: 1970-luvulla saatiin fuusiokokeissa ulos vain watin tuhannesosia.

Fuusioreaktorin tekniikka on osoittautunut odotettua vaikeammaksi. Lisäksi tutkijoilla on ollut vaikea saada rahoitusta hallituksilta ja liikemiehiltä tutkimuksilleen, jotka ovat jatkuneet pitkään tuottamatta mitään dramaattista, ja joiden hyöty näkyy vasta kymmenien vuosien päästä.

[muokkaa] Fuusion tulevaisuus

Kansainvälisenä yhteistyönä aiotaan rakentaa ITER-tutkimuslaitos, jolla pyritään saavuttamaan energiantuotannossa pitkään jatkuva positiivinen hyötysuhde. ITER-hanke on kohdannut monia takaiskuja ja koereaktorin paikasta on kiistelty, mutta paikaksi on valittu Ranska. Sen jälkeen rakennetaan DEMO, ensimmäinen kaupallisen fuusioreaktorin prototyyppi. Venäjä on nykyäänkin fuusiotutkimuksen johtavia maita.

Nykyisin näyttää siltä, ettei fuusiovoima tule kaupallisesti kannattavaksi ennen vuotta 2050. Fuusiovoima saattaisi edesauttaa siirtymistä vetytalouteen.

[muokkaa] Aiheesta muualla


Ydintekniikka
Ydinfysiikka | Atomi | Fissio | Fuusio | Säteily | Radioaktiivisuus | Ionisoiva säteily | Säteilyturvallisuus | Ydinturvallisuus | Ydinvoima | Ydinreaktori | RBMK-reaktori | Hyötöreaktori | Kiihdytinreaktori | Fuusioreaktori | Ydinpolttoainekierto | Ydinjätehuolto | Geologinen loppusijoitus | Uraani | Uraanirikastamo | Plutonium | Painevesireaktori | Nestemäisellä metallilla jäähdytetty reaktori | Ydinvoiman käyttökohteet | Ydinvoima Suomessa | Ydinsota | Ydinaseet | Vetypommi | Neutronipommi | Ydinaseriisunta | Ydinonnettomuus | Tšernobylin ydinonnettomuus | Three Mile Islandin ydinonnettomuus | Luettelo ydinonnettomuuksista | Luettelo ydinlaitostapahtumista

muokkaa