Fuusioreaktori
Fuusioreaktori on ydinreaktori, jolla suoritetaan ydinfuusio. Fuusioreaktoreiden kehityksessä tavoitteena on sähköntuotantoon soveltuvan fuusiovoimalaitoksen valmistaminen. Tavallisimmassa fuusioreaktorityypissä vetyä yhdistetään heliumiksi, jolloin vapautuu energiaa. Ydinfuusio tuottaa suuria energiamääriä fuusioituvaa ainekiloa kohden, ja fuusioituva aine vety on maailmankaikkeuden yleisin alkuaine.
Vuonna 2015 kehityksessä tavoitteena on plusnettoenergisen ja pitkäkestoisen reaktion saavuttaminen. Esimerkiksi 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. Suurin hanke näistä on rakenteilla oleva (2015) ITER. Jatkumona Iterille ensimmäisen sähköä tuottavan fuusioreaktorin, DEMO:n uskotaan valmistuvan 2050-luvulla, jos tutkimukset etenevät suunniteltua vauhtia. Eniten tutkitun tokamak-tyyppisen reaktorin lisäksi aktiivisen tutkimuksen kohteena on myös lukuisia muita tapoja toteuttaa fuusioreaktori.
Fuusioreaktori on peruslähtökohdiltaan turvallisempi kuin käytössä olevat fissioon perustuvat ydinreaktorit. Näin koska fuusioreaktio vaatii hyvin erityiset olosuhteet verrattuna fissioreaktioon. Jos fuusioreaktori vikaantuu fuusio lakkaa välittömästi toisin kuin fissioreaktorissa. Lisäksi fuusion tyypillisin reaktiotuote helium on varsin saasteeton verrattuna fission ydinjätteeseen, tosin reaktorin säteilemät protonit ja neutronit saastuttavat jossain määrin reaktorin rakenteet.
Fuusioreaktiossa kevyet alkuaineet yhtyvät raskaammiksi alkuaineiksi. Yleisin fuusioreaktio on vetyatomien yhdistyminen heliumiksi.
Fuusioreaktiota tapahtuu luonnossa muun muassa tähtien ytimissä. Vetypommissa tapahtuu atomipommilla sytytetty hallitsematon fuusio, joka tapahtuu sekunnin murto-osissa. Fuusioreaktorin on kuitenkin toimittava huomattavasti pidempään ja hallitusti. 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 toimii harvoin 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 ollaankin jo melko lähellä jatkuvatoimista, runsaasti energiaa tuottavaa reaktoria. Seuraava fuusiolaite onkin tehokas koereaktori ITER, joka ei tuota sähköä, mutta jossa tutkitaan kaupallisen fuusioreaktorin tekniikkaa.
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 isotooppeja, 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 90 miljoonaa astetta. Deuterium-deuterium-reaktio vaatii jo 600 miljoonaa astetta.
D-T-reaktio tuottaa heliumia ja energiaa deuteriumista ja tritiumista.
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.
Pääasiallinen deuterium-deuterium-reaktorin etu on, että se ei vaadi polttoaineeksi litiumia tai tritiumia.
ja myös
D-D-reaktorin etuja on riippumattomuus tritiumista tai litiumista, sekä luultavasti hieman pehmeämpi neutronisäteily.
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, atomiytimet 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 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.
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 formula_4 ja koossapitoajan formula_5 ("tau") tulon. Tietylle lämpötilalle ja fuusiopolttoaineelle formula_6 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 formula_6 on 10 s/m. D-D-reaktiolle taas Lawsonin kriteeri on 10 s/m eli energian tuottamiseksi tarvitaan 100-kertainen lisäys vetyionien tiheydelle tai koossapysymisajalle tai jollekin näiden yhdistelmälle.
Fuusioreaktiot vapauttavat ylimääräisiä neutroneja tai protoneja, jotka ovat vaarallista ionisoivaa säteilyä ja saattavat muuttaa reaktorin materiaaleja radioaktiivisiksi. Tämän takia yhtä fuusioreaktoria voidaan 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.
Fuusioitava vety on kuumennettava korkealämpöiseksi plasmaksi, jota voidaan pitää koossa magneettikentillä "magneettisessa pullossa". Plasmassa ovat positiivisesti varautuneet atomin ytimet ja elektronit irti toisistaan. Vety on plasmaa yli 100 000 kelvinin lämpötilassa.
Pullon vaatimat voimakkaat magneettikentät on saatu aikaan suurilla suprajohtavilla käämeillä, joissa kulkee valtava 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.
Yleisimmät reaktorityypit ovat munkkirinkilän muotoinen "Tokamak"-tyyppinen reaktori ja "stellaraattori".
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" (). Tokamakin idean esittelivät venäläiset fyysikot Igor Tamm ja Andrei Saharov 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.
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.
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).
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.
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.
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.
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.