Fuusioreaktori

Fuusioreaktion vaatimukset

Fuusio on vaikea toteuttaa, koska kaikki atomiytimet ovat positiivisesti varautuneita ja siten hylkivät toisiaan. Jos kuitenkin ytimiä puristetaan tai törmäytetään kyllin lujaa toisiaan vastaan, atomiytimet voivat yhdistyä. 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 atomiytimiä. 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. Fuusioreaktori vaatii siis riittävän lämpötilan, tiheyden ja plasman koossapitoajan.

Lawsonin kriteeri

Jotta fuusioreaktio alkaisi, fuusioituva vety pitää kuumentaa riittävän korkeaan lämpötilaan, puristaa riittävän tiheäksi ja pitää koossa riittävän kauan. Näin fuusiolaitteen energiantuotolle välttämätön (mutta ei riittävä) ehto on, täyttääkö se tietyssä lämpötilassa tarvittavan hiukkastiheyden  ja koossapitoajan  (tau) tulon. Tietylle lämpötilalle ja fuusiopolttoaineelle  on Lawsonin kriteeri. Sen esitti J. D. Lawson vuonna 1957.
D-T-reaktiolle 100 miljoonan kelvinin lämpötilassa, jolloin hiukkasten keskimääräinen kineettinen energia on 10 keV luokkaa, Lawsonin kriteeri  on 10²⁰ s/m³. D-D-reaktiolle taas Lawsonin kriteeri on 10²² s/m³ eli energian tuottamiseksi tarvitaan 100-kertainen lisäys vetyionien tiheydelle tai koossapysymisajalle tai jollekin näiden yhdistelmälle.

Fuusioreaktion vaikutus reaktoriin

Fuusioreaktiot vapauttavat ylimääräisiä neutroneja tai protoneja, jotka ovat vaarallista ionisoivaa säteilyä ja saattavat muuttaa reaktorin materiaaleja radioaktiivisiksi. Tämän takia yhtä fuusioreaktoria voitaneen käyttää korkeintaan muutaman vuosikymmenen ajan –
lopulta reaktorin materiaalit alkavat säteillä vaarallisesti ja reaktori on hajotettava ja siirrettävä asianmukaiseen säilöön esim. betonin sisään. Reaktorin osat saattavat pysyä vaarallisen radioaktiivisina muutamia satoja vuosia.

Vetyplasman koossa pitämisen ongelma

Fuusioitava vety on kuumennettava korkealämpöiseksi plasmaksi, jota pidetään koossa magneettikentillä "magneettisessa pullossa". Plasmassa positiivisesti varautuneet atomin ytimet ja elektronit ovat irti toisistaan. Vety on plasmaa yli 100 000 kelvinin lämpötilassa.
Pullon vaatimat voimakkaat magneettikentät on saatu aikaan suurilla suprajohtavilla käämeillä, joissa kulkee suuri virta. Plasman pidempiaikainen koossa pitäminen on osoittautunut ongelmalliseksi, sillä kuumassa magneettisessa plasmassa on monia epävakaisuusilmiöitä. Magneettifuusiolaitteissa kuumennettu vety on pidettävä irti reaktorin seinämistä, koska mikään seinämä ei kestä plasman 100 miljoonan asteen lämpötilaa. Plasma värähtelee ja on epävakaata. Usein yritykset vakauttaa plasmaa ovat tuottaneet uusia epävakaisuuksia. Eri fuusiolaitteissa on erilaisia puutteita, mutta eräs kaikille laitteille tyypillinen ongelma on uurre-eli vaihtoepävakaisuus. Yleensä epävakaisuudet johtuvat magneettikentän voimaviivojen kaartumisesta.

Reaktorityypit

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

Tokamak

Tokamak on tavallisin tapa toteuttaa fuusiolaite fuusioreaktoriin liittyvissä tutkimuksissa. Se on rakenteeltaan suhteellisen yksinkertainen ja helpohko toteuttaa. Tokamakeja on tämän takia rakennettu moniin maihin. Laite 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 suuruuksiltaan useita tesloja, ja Tokamak vaatii kymmenien megawattien energian sisäänsyötön toimiakseen.
Tokamakissa fuusioituva deuterium kuumennetaan vaihtuvalla magneettikentällä kuumaksi plasmaksi, joka pidetään renkaanmuotoisen kammion keskellä. Aluksi plasma kuumennetaan muuttuvien magneettikenttien aiheuttamalla virralla noin 30 miljoonaan asteeseen asti. Tämän jälkeen kuumennusta jatketaan muilla tavoilla, esimerkiksi hiukkassuihkuilla tai radiotaajuisella sähkökentällä. Plasman keskellä lämpötila on 100 miljoonaa astetta, reunalla 2 000 astetta. Plasma pysyy koossa ulkoisten magneettikenttien ja plasmassa esiintyvien virtojen aiheuttamien kenttien avulla. Nimi tokamak tulee venäjän sanoista toroidinen kammio magneettikäämeillä (ven. тороидальная камера с магнитными катушками, toroidalnaja kamera s magnitnymi katuškami). Tokamakin idean esittelivät venäläiset fyysikot Igor Tamm ja Andrei Saharov vuonna 1951.
Tokamakin vakava kehittely alkoi Neuvostoliitossa 1960-luvulla. Tuleva koefuusioreaktori ITER on rakenteeltaan Tokamak. Koska plasmassa oleva magneettikenttä on rinkelimäinen, vakauttaa se sitä luonnostaan. Plasma pyrkii kuitenkin vaeltamaan pitkin magneettikenttää, ja suorassa päistään puristetussa "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. Tokamakissa on hienosta teoriasta huolimatta monia epävakaisuusilmiöitä, eikä siinäkään ole onnistuttu pitämään fuusioreaktiota käynnissä kovin kauan.

Stellaraattori

Toinen ratkaisu, stellaraattori, muistuttaa tokamakia, mutta plasmavirroilla ei siinä ole merkitystä plasman koossa pitämisessä. Tällaisia laitteita on tutkittu vähemmän kuin tokamakia.
Stellaraattorissa pyritään kiertämään joitain plasmalle tyypillisiä epävakaisuuksia, joita tokamakissa on. Stellaraattori on tokamakia monimutkaisempi niin teoriassa kuin käytännössäkin. Monet stellaraattorin osat ovat vaikeampia valmistaa kuin tokamakin osat. Jotkut plasmatutkijat pitävät USA:ssa 1950-luvulla kehitettyä stellaraattoria tokamakia kehittyneempänä, parempana ratkaisuna. Laitteita on tutkittu Yhdysvalloissa, Saksassa ja Japanissa. Stellaraattorin plasmatila on mutkainen torus.

Laserfuusio

Laserfuusiolaitteessa lasersäteet puristavat fuusioituvaa ainetta sisältävän pienen pillerin (pelletin) kasaan. Puristuminen perustuu kuumenemisen aiheuttamaan pelletin pintakerroksen laajenemiseen. Toistaiseksi tällaisilla menetelmillä ei ole saatu fuusiota aikaan. On myös tutkittu pelletin puristamista ioneilla tuloksetta. Tarpeeksi tehokasta ja lyhytaaltoista laserlaitetta ei ole vielä kehitetty. Vuoteen 1999 tutkittiin fuusion sytyttämistä NOVA-laserilla, ja nykypäivänä NIF:llä (National Ignition Facility).

Fuusion hyödyt ja haitat

Suurimpia etuja 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 noin 119 megajoulea. 1 kg vetyä fuusioreaktiossa tuottaa yli viisi miljoonaa kertaa enemmän: 600 terajoulea. Kemiallinen palaminen vapauttaa kemiallisen sidoksen energiaa, ydinreaktio atomiytimen sisäistä vahvan ydinvuorovaikutuksen sidosenergiaa. Fuusion käyttö ydinvoiman tuotannossa toisi monia etuja suhteessa nykyisissä voimaloissa käytettyyn fissioreaktioon. Fuusion polttoainetta on luonnossa käytännössä rajattomasti: vety on yleisin alkuaine. Deuteriumia saadaan pelkästään merivedestä valtavat määrät, sillä noin joka 5000:s vetyatomi on deuteriumatomi. Tritiumia saadaan tuotettua litiumista pommittamalla ainetta neutroneilla. Lisäksi fuusion reaktiotuotteena 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 vaikeampi hallita kuin fissiota, koska se vaatii äärimmäiset, tarkoin määritetyt magneettikenttä-, lämpötila- ja paineolosuhteet. Vaikka fuusioreaktorin jäähdyttimeksi ja tritiumin raaka-aineeksi aiottu litium on helposti syttyvää, on sitä reaktorissa kerrallaan vain noin kilon verran.
Reaktori saattaa vaurioitua magneetin "räjähtäessä" mutta kyse ei ole keskimääräistä teollisuusonnettomuutta vakavammasta tapahtumasta, säteilyä ei ympäristöön vapaudu.
Fuusiovoimalan taloudellisesta puolesta ei tällä hetkellä tiedetä juurikaan -- käyttö- ja rakennuskustannuksia ei tunneta. Jotkut olettavat fuusion olevan hieman muita energiamuotoja halvempaa, toiset muutamaa kertaluokkaa kalliimpaa.
Täysin saasteetonta ei ole fuusiovoimakaan: reaktorin ennustetaan saastuvan ajan myötä vaarallisen radioaktiiviseksi, koska fuusioreaktori säteilee neutroneja noin 100 kertaa enemmän kuin fissioreaktori. Neutronit taas saattavat aiheuttaa aineissa reaktioita, jotka muuttavat ne radioaktiivisiksi. Tällä tavoin mahdollisesti syntyvien isotooppien on kuitenkin arveltu olevan melko lyhytikäisiä -- arvioiden mukaan reaktori olisi vaarallisen aktiivinen muutamia satoja vuosia, joka on huomattava parannus perinteisen fissioreaktion tuottaman ydinjätteen kymmenientuhansien vuosien aikoihin.

Fuusiotutkimus

Fuusioon tarvittavat lämpötila ja tiheys on saavutettu, samoin plasman pitäminen koossa onnistuu kohtalaisen hyvin. Ongelma fuusiokokeiluissa on ollut plasman "läikkyminen yli" magneettisesta pullosta. Tutkimuksessa on pyritty hitaasti yhä parempiin teholukemiin, mutta reaktorista on saatu vain hetkellisesti enemmän tehoa, kuin reaktion ylläpitämiseen on vaadittu. Fuusiota on pystytty tähän asti pitämään käynnissä vain muutamia sekunteja. Kaikki rakennetut laitteet ovat olleet vasta koelaitteita. Fuusiokokeille ominaista on ollut, että yhden ongelman ratkaiseminen synnyttää uusia ongelmia. Todellisen reaktorin oloja ei ole tutkittu. Tutkimuksen painopiste on siirtymässä reaktorimateriaaleihin.
Reaktorin pintamateriaalien tulisi kestää kovaa kuumuutta ja neutronisäteilyä, ja kuitenkin jäähdytyksen olisi toimittava hyvin pitkiä aikoja. Samalla kun reaktorin pintamateriaali hehkuu kovassa kuumuudessa, sen käämien olisi pysyttävä noin 200 pakkasasteessa suprajohtavuuden säilyttämiseksi. Litiumvaippa jäähdyttää reaktorin sisäpinnan. Monet ehdotetut materiaalit ovat joko nopeasti lämmössä ja säteilyssä kuluvia, hidastavat pieninä määrinä hiukkasina leijuessaan fuusioreaktiota tai muuttuvat reaktorin säteilyssä helposti radioaktiivisiksi.

Fuusiotutkimus 1990-luvun lopulla ja 2000-luvun alussa

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 1970-luvulla, jolloin toiveet fuusiosta ennen vuotta 2000 olivat jo hiipuneet. 1994 USA:ssa tuotettiin 10,7 MW yhden sekunnin ajan satojen megawattien kulutuksella. Vuonna 1997 JETissä tehtiin maailmanennätys: 16 megawattia.
Edistys on ollut aikaisemmasta valtavaa: 1970-luvulla saatiin fuusiokokeissa ulos vain watin tuhannesosia. Kaikkien aikojen kestävin fuusioreaktio on mitattu ranskalaisessa koereaktorissa: kuusi ja puoli minuuttia.
Fuusioreaktorin tekniikka on osoittautunut odotettua vaikeammaksi. Lisäksi tutkijoiden on ollut vaikeaa saada rahoitusta tutkimuksilleen niiden hitaan etenemisen ja pitkän aikajänteen takia.
Yksi reaktorin haasteista on löytää materiaaleja, jotka kestäisivät reaktorissa esiintyviä äärimmäisen korkeita lämpötiloja.

Fuusiohankkeita

Kansainvälisenä yhteistyönä aiotaan rakentaa tutkimuslaitos ITER, jolla pyritään saavuttamaan energiantuotannossa pitkään jatkuva positiivinen hyötysuhde. ITER-hanke on kohdannut monia takaiskuja ja koereaktorin paikasta on kiistelty, mutta paikaksi on lopulta valittu Ranska. Vuonna 2009 tehdyn väliarvion perusteella projektin budjetti on kolminkertaistunut 15 miljardiin euroon, ja sen valmistumispäivää on lykätty vuoteen 2020.
Sen jälkeen suunnitteilla on DEMO, ensimmäinen kaupallisen fuusioreaktorin prototyyppi. Sen on arvioitu aloittavan 2030-luvulla.
Vuonna 2016 MIT:n Alcator C-Mod -reaktorilla saavutettiin plasman paineen uusi maailmanennätys. Samalla osoitettiin että pienellä TOKAMAKilla kyetään luomaan ääriolosuhteita.
Yksityinen TAE (Tri Alpha Energy) on yhteistyössä Googlen Applied Science -yksikön kanssa C2W/Norman-fuusioreaktorin kehittämiseksi pidemmälle.
Huhtikuussa 2018 Kiina on sanonut olevansa edellä fuusioenergiassa.
Yhdistyneiden kuningaskuntien kansallisesta fuusiolaboratoriosta on perustettu Tokamak Energy, joka on kehittänyt Tokamak-mallisen fuusioreaktorin joka on ylittänyt yli 15 miljoonan celsiusasteen lämpötilan.
Marraskuussa 2018 kiinalainen suprajohtava TOKAMAK (Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST) saavutti yli 100 miljoonan celsiusasteen lämpötilan. 100 miljoonan asteen saavuttamista pidetään merkittävänä merkkipaaluna, sillä fuusioreaktion täytyy tapahtua maapallolla tuossa lämpötilassa, jotta reaktio kuluttaisi vähemmän energiaa kuin siitä saadaan.