ITER

ITER on kansainvälinen tokamak-tyyppinen fuusiovoiman koelaitos, jolla pyritään osoittamaan, että fuusiovoimalaitoksen rakentaminen on teknisesti mahdollista. Erityisesti tavoitteena on saada laitos tuottamaan enemmän energiaa kuin sen oma käyttö on. Reaktori perustuu aikaisemmista koereaktoreista (kuten TFTR, JET, JT-60 ja T-15) saatuihin tutkimustuloksiin ja tulee olemaan näitä huomattavasti suurempi. ITER rakennetaan Etelä-Ranskaan Cadaracheen lähelle Marseillea.

Projekti aloitettiin 2006 ja ITERin piti valmistua 2016. Alkuperäinen budjetti oli 5 miljardia euroa. Nykyisen arvion (kesällä 2023) mukaan laitoksen pitäisi valmistua joulukuussa 2025. Myös budjetti on noussut 20 miljardiin euroon.

Nimi ITER tuli alun perin sanoista International Thermonuclear Experimental Reactor (kansainvälinen kokeellinen lämpöydinkoereaktori), mutta tämä merkitys ei ole enää voimassa. Latinankielinen sana 'iter' tarkoittaa 'polkua'.

Historia

Suunnitteluvaihe 

ITER-hanke alkoi 1985 eurooppalaisen Euratomin, Yhdysvaltojen ja sittemmin myös Neuvostoliiton ja Japanin yhteistyöstä. Konseptisuunnittelu alkoi 1988, ja sitä seurasi insinöörisuunnittelun vaihe 1991. Tänä aikana tehty fuusion fysiikan tutkimus ja fuusiotekniikan kehitystyö loi perustan plasman käyttäytymisen ennusteille ITERin mittakaavassa. Yhteistyössä kehitettiin ITERissä tarvittavia korkean tekniikan osia, kuten suprajohtavat kelat, korkeaa lämpötilaa kestävät materiaalit ja kaukokäyttöiset käsittelyjärjestelmät.

Insinöörisuunnitteluvaiheen valmistuttua 2001 lopullinen suunnitelma saatiin osapuolten arvioitavaksi. Sen jälkeen tehtiin rakennuspäätös ja aloitettiin paikanvalintaa käsittelevät neuvottelut. Tänä aikana hankkeen osallistujakaarti oli muuttunut ja laajentunut. Venäjä tuli Neuvostoliiton tilalle. Yhdysvallat vetäytyi hankkeesta 1999, mutta liittyi takaisin 2003. Kanada osallistui hankkeeseen 2001-2003 tavoitellakseen sijoituspaikkaa. Kiina ja Etelä-Korea liittyivät mukaan 2003. Joulukuussa 2005 liittyi Intia.

Osapuolet sopivat 28. kesäkuuta 2005 Moskovassa käydyssä viimeisessä neuvottelussa, että sijoituspaikaksi valitaan Etelä-Ranskassa sijaitseva Cadarache. Sijoituspaikan valinta oli EU:n ja toisen mukana olleen vaihtoehdon eli Japanin  kompromissi. Kompromissiin kuuluu, että 20 prosenttia tutkimushenkilökunnasta tulee olla japanilaisia ja että hankkeen hallinnonjohto ja toinen tutkimuskeskus sijoitetaan Japaniin. Lisäksi EU on lupautunut kustantamaan noin puolet tästä keskuksesta.

Rakennusvaihe ja kustannusarvio 

Alkuperäisessä vuoden 2006 kustannusarviossa hankkeen hinnaksi piti tulla kymmenen miljardia euroa ja rakennusvaiheen valmistua vuonna 2018. Voimalan pilottihanke-luontoisuudesta johtuen kustannukset kuitenkin ovat kasvaneet ja aikataulu venynyt. Vuonna 2009 tehdyn väliarvion perusteella projektin budjetti oli kasvanut 15 miljardiin euroon, ja sen valmistumispäivää oli lykätty vuoteen 2020. Joulukuussa 2018 hankkeen hinnaksi arvioitiin 22 miljardia euroa ja valmistumisvuodeksi vuosi 2025. 

Heinäkuussa 2020 esitetyn aikataulun mukaan reaktori rakennetaan vaiheittain. Ensimmäinen plasma reaktorissa on vuonna 2025.  Myöhemmin lisättäviin osiin kuuluu osia kuten lisälämmitys, polttoaineen kierrätys ja tuotetun lämmön talteenotto. Varsinainen tutkimustoiminta alkaa reaktorin lisärakentamisen jälkeen 2029. Täysi teho on tavoite saavuttaa 2035.

Vuonna 2012 rakennuspaikalla valettiin ensimmäiset betonit. Toukokuussa 2020 asennettiin paikalleen reaktorin ensimmäinen osa eli kryostaatin pohjaosa.

ITER:in jälkeen 
ITER:in rinnalla toimii materiaalien tutkimuslaitos International Fusion Materials Irradiation Facility eli IFMIF, jossa kehitetään mahdollisissa tulevaisuuden fuusiovoimalaitoksissa käytettäviä äärimmäisiä olosuhteita kestäviä materiaaleja. ITER:in ja IFMIF:in tuloksia on tarkoitus käyttää demonstraatiofuusiovoimalaitoksen eli DEMOn kehittämisessä. Tämän on tarkoitus olla ensimmäinen fuusiosähköä tuottava laitos. Nopeimman etenemisarvion mukaan, mikäli ITER todistaa tokamak-tyyppisen rakenteen hyvän soveltuvuuden sähköntuotantoon, ensimmäinen varsinainen voimalaitos liitettäisiin verkkoon 2050. Tämä saattaisi johtaa merkittävään fuusion käyttöön energiantuotannossa vuosisadan loppuun mennessä.

Tavoitteet 
ITERillä on useita tarkoin määriteltyjä tavoitteita, jotka tähtäävät käytännöllisen fuusiovoimalan kehittämiseen:
 tuottaa fuusion avulla hetkellisesti kymmenen kertaa enemmän energiaa kuin järjestelmään syötetään (Q-arvo on tällöin 10).
 sytyttää 'palava' (itseään ylläpitävä) plasma.
 tuottaa vakaata plasmaa, jonka Q-arvo on suurempi kuin 5.
 pitää fuusiopulssia yllä kahdeksan minuutin ajan.
 kehittää fuusiovoimalassa tarvittavia prosesseja ja teknologiaa, joihin kuuluvat muun muassa venäläisessä T-15 -reaktorissa käytetyt suprajohtavat magneetit sekä robottikäyttöiset etähallintajärjestelmät, joita tullaan kehittämään Suomessa.

Reaktorin rakenne 

Lähde

Tokamak-reaktori on sylinterin muotoinen, korkeudeltaan ja halkaisijaltaan 30 metriä. Komponetteja siinä on kaikkiaan yli miljoona ja yksittäisiä osia 10 miljoonaa.

Plasmaa koossa pitävä magneettikenttä synnytetään suprajohtavilla sähkömagneeteilla. Poloidimagneetit muodostavat pallon, jonka sisäpuolelle tulee toroidimagneetit. Keskellä pystyssä on sauvamainen keskusmagneetti.

Poloidaalisen kentän synnyttäviä magneetteja on 6 kappaletta. Rakenteeltaan poloidimagneetit ovat vaakatasoon asennettavia rinkuloita tai keloja. Niitä on kolmea eri kokoa ja paikalleen asennettuna ne muodostavat pallon muodon. Pienimmät ovat halkaisijaltaan 10 metriä. Toinen niistä valmistetaan Kiinassa ja toinen Venäjällä. Isommat 17 metrin ja 24 metrin magneetit valmistetaan laitoksen alueella. Ne on liian suuret kauempaa paikalle tuotavaksi. Magneettien massat ovat väliltä 200 tonnia ja 400 tonnia. Magneetit valmistetaan kaapelista, jonka rakenne on kolmiosainen. Keskellä on tyhjä putki, jossa virtaa jäähdytysaine nestehelium. Sen ympärillä on titaani-neobium -suprajohde, jota kylmäaine jäähdyttää −270 asteeseen. Mekaanisesti haurasta keraamista johdinta tukee neliskanttinen ruostumattomasta teräksestä tehty kuori. Virta on korkeimmillaan 70 000 ampeeria.

Toroidaalisen kentän synnyttäviä magneetteja on 18 kappaletta. Ne ovat D-kirjaimen muotoisia; 20*9 metriä. Ne sijaitsevat poloidimagneettien sisäpuolella mutta ympäröivät toroidin muotoista tyhjiöastiaa. Puolet toroidimagneeteista on valmistettu Euroopassa ja puolet Japanissa.

Keskellä pystyssä oleva keskusmagneetti on valmistettu Yhdysvalloissa. Magneettihäkin synnyttämisen lisäksi tämä voimakkain magneetti kihartaa magneettikentän spiraalille.

Tyhjiöastia (Etelä-Korea) koostuu yhdeksästä 40 astetta torus-ympyrästä käsittävästä lohkosta. Siinä vetykaasu kuumennetaan 150 miljoonan asteen lämpötilaiseksi plasmaksi ja fuusioidaan. Reaktorin ulkopinta on rosterinen kryostaatti. Intiassa valmistettu astia kootaan paikan päällä neljäksi osaksi ja siirretään paikalleen. Suurimmat näistä ovat 10 m korkeudeltaan, 10 m halkaisijaltaan ja 400 tonnia massaltaan. Reaktori on puolestaan paksun betonisylinterin sisässä, jonka seinämä pysäyttää karkaavat neutronit.

Reaktorihalli on 100 m pitkä, 60 m korkea ja 60 m leveä. Se on 19-asteinen 0,1 asteen tarkkuudella, jotta lämpölaajenemiset eivät haittaa osien tarkkaa asentamista. Reaktorihallissa on kaksi 750 tonnin siltanosturia.

Toiminta 
Tyhjiöastiassa polttoainetta on kaksi grammaa. Siitä yksi prosentti fuusioituu heliumiksi. Reaktion omakäyttöteho on 50 MW ja vapautuvan tehon tavoite on 500 MW.

Osallistujat
ITERissä on osallisena seitsemän valtiota ja ylikansallista julkisyhteisöä eli Euroopan unioni (muodollisesti Euratom), Yhdysvallat, Japani, Venäjä, Intia, Kiina ja Etelä-Korea.

Rahoitus 
Vuoden 2018 hankkeen 22 miljardin euron hinta-arviosta 45 prosenttia rahoittaa EU. Loput 55 prosenttia jakaantuu tasan kuuden muun osallistujamaan Yhdysvaltojen, Venäjän, Kiinan, Intian, Etelä-Korean ja Japanin kesken, jolloin yhden maan osuudeksi tulee noin yhdeksän prosenttia. Rahan sijaan valtaosa rahoituksesta tapahtuu suoraan osien valmistamisena kunkin jäsenen toimesta. Suomen rahoitusosuus EU:n jäsenmaksujen kautta ja mukaisesti on noin 140 miljoonaa euroa eli noin 0,6 prosenttia hankkeen kokonaishinnasta. Laaja eri maiden rahoittajapohja tarkoittaa, että hankkeeseen osallistuu noin puolet maailman (teoreettisista) veronmaksajista.

Hallinto 
ITER projektia hallinnoi neuvosto, jossa on edustaja kustakin seitsemästä jäsentahosta. Komissio tekee merkittävimmät päätökset ja nimittää muun muassa hankkeen johtajan (Director-General), joka on Bernard Bigot (tilanne 2020).

ITER ja Suomi 
Suomi osallistuu ITER-projektiin muun muassa eri yliopistoissa tehtävällä plasma- ja materiaalifysiikan tutkimuksella, pyrkimällä saamaan suomalaiselle teollisuudelle tilauksia ja luomalla testiympäristön ITERin tokamak-reaktorin huoltojärjestelmälle. Tutkimusta tehdään VTT:llä, Aalto-yliopistossa, Helsingin yliopistossa, Tampereen yliopistossa ja Lappeenrannan–Lahden teknillinen yliopisto LUT:ssa.

VTT:n Tampereen osastolle on rakennettu ITER:in huoltojärjestelmien eurooppalainen testauskeskus Divertor Test Platform 2 (DTP2). Siihen rakennetaan aidonkokoinen jäljennös neljäsosasta Tokamak-reaktoria, jossa testataan huoltorobotin toimintaa reaktoritoruksen sisällä. Projektin rahoitus tulee ITER-projektin lisäksi TEKESiltä ja VTT:ltä.

Lähteet

Aiheesta muualla 

 ITERin viralliset sivut, joissa on kuvia ja diagrammeja opetuskäyttöön
 Helsingin Sanomien artikkeli fuusion toimintaperiaatteesta ja rakenteilla olevasta Iter-voimalasta

Ydinvoima
Ydintutkimuslaitokset