Plasmaa reaktorissa – Uusi reaktori vie kohti fuusioenergiaa

Plasma – Mitä plasma on?

Kiinteä. Nestemäinen. Kaasu. Siinä ovat tutut aineen olomuodot. Neljännen osuus näkyvästä kaikkeudesta on kuitenkin 99 prosenttia. Plasma on tähtien polttoainetta, josta saattaa tulla ihmiskunnalle käytännössä ehtymätön energianlähde.

Kiinteä. Nestemäinen. Kaasu. Siinä ovat tutut aineen olomuodot. Neljännen osuus näkyvästä kaikkeudesta on kuitenkin 99 prosenttia. Plasma on tähtien polttoainetta, josta saattaa tulla ihmiskunnalle käytännössä ehtymätön energianlähde.

UK Atomic Energy Authority

Mitä plasma on?

Joka kerta, kun näet salaman, katsot itse asiassa plasmaa, joka on aineen neljäs olomuoto. Kolme tutumpaa aineen olomuotoahan ovat kiinteä, neste ja kaasu. Aineiden olomuoto muuttuu lämpötilan noustessa. Hyvä esimerkki on vesi. Nollan alapuolella vesi on jäätä eli sen atomit muodostavat kiderakenteen.

Sulamispisteessä vedestä tulee nestettä – kiderakenne hajoaa, ja molekyylit liikkuvat toistensa lomassa. Kun vesi kuumenee kiehumispisteeseen eli 100 asteeseen, se kaasuuntuu vesihöyryksi: molekyylit liikkuvat satunnaisesti kolmessa ulottuvuudessa. Nämä kolme olomuotoa ovat tuttuja arjesta. Kun lämpötila jatkaa nousuaan yli 1 000 asteen, vesimolekyylit alkavat hajota happi- ja vetyatomeiksi.

Noin 10 000–12 000 asteen lämpötilassa tapahtuu olotilan muutos: atomiytimet alkavat menettää elektroneja, ja kaasu muuttuu plasmaksi. Protoneista ja neutroneista koostuvat positiiviset ionit ja negatiiviset elektronit liikkuvat siinä vapaasti toistensa lomassa. Siksi plasma johtaa sähköä.

Salama kuumentaa ilman usein jopa 25 000-asteiseksi. Kova kuumuus kuorii elektronit ilman typpi- ja happiatomeista ja muuttaa kaasut siten plasmaksi, joka nähdään vaaleana loistavana olomuotona.

Kuumentamalla saadaan kaikki kiinteät aineet ensin nesteytymään, sitten kaasuuntumaan ja lopulta muuttumaan plasmaksi, jossa atomit ovat hajonneet ytimiksi ja elektroneiksi. Esimerkkinä alumiini.

Näin alumiini muuttuu plasmaksi
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Kiinteä: Atomit ovat sitoutuneet toisiinsa

Vaikka juomatölkeistä tuttu alumiini on huoneenlämmössä kiinteää ainetta, jossa atomit ovat lähekkäin ja muodostavat kiderakenteen. Se säilyttää muotonsa alumiinin sulamispisteeseen saakka.

Näin alumiini muuttuu plasmaksi
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Neste: Atomit irtoavat kiderakenteesta

Alumiini sulaa 660 asteen lämpötilassa ja nesteytyy. Toisin sanoen kiderakenne hajoaa ja atomit pääsevät liikkumaan lomittain. Siitä huolimatta tilavuus pysyy vielä rajallisena.

Näin alumiini muuttuu plasmaksi
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Kaasu: Atomit liikkuvat satunnaisesti

Kun lämpötila on 2 470 astetta, alumiini höyrystyy kaasuksi. Atomit liikkuvat vapaasti ympäriinsä, eikä vakiotilavuus säily. Tästä syystä kaasuja varastoidaan umpinaisiin säiliöihin.

Näin alumiini muuttuu plasmaksi
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Plasma: Kova kuumus pilkkoo atomit

Kun lämpöasteita on 5 400, sähkövaraukseltaan positiivinen atomiydin alkaa menettää negatiivisesti varautuneita elektroneja. Silloin kaasu muuttuu sähköä johtavaksi plasmaksi, jossa ytimet ja elektronit liikkuvat vapaasti toistensa lomassa.

Plasma hallitsee universumia

Itse asiassa yli 99 prosenttia näkyvästä kaikkeudesta – loistavat tähdet ja galaksien väliset vetypilvet – on plasmaa.

Vetypilvet ovat harvoja, mutta plasma voi olla tiheää, vaikka on niin kuumaa, että atomit riistäytyvät irti toisistaan. Tällainen tila vallitsee Auringon kaltaisten tähtien plasmasta koostuvassa sisuksessa.

Auringon ytimessä, jonka lämpötila on 15 miljoonaa astetta, paine on 250 miljardia niin suuri kuin maanpinnalla. Puristus painaa vetyplasman niin tiukasti kokoon, että vety-ytimien sisäinen sähköinen hyljintä kumoutuu ja ne sulautuvat yhteen heliumiksi. Silloin syntyy energiaa, joka saa Auringon loistamaan saavaa energiaa.

Maan kaltaiset kiviplaneetat, jotka kiertävät keskustähteä elinkelpoisella vyöhykkeellä ja joiden pinnalla voi siksi esiintyä nestemäistä vettä, ovat todellisuudessa melkoisia harvinaisuuksia, sillä maailmankaikkeudessa hallitsee plasma.

Salama luo plasmaa

Salama kuumentaa ilman yleensä jopa 25 000-asteiseksi. Kuumuuden vuoksi elektronit irtoavat atomiytimistä ja ilman olomuoto muuttuu tällöin plasmaksi.

© Shutterstock

Auringon plasma voi pimentää Maan

Maasta käsin on mahdollista havaita plasmaa Auringon yli miljoonan asteen lämpöisessä ulommassa kaasukehässä eli koronassa. Siitä lähtee jatkuva plasmavirta protoneina ja elektroneina, ja se aiheuttaa Maan yläilmakehään osuessaan revontulia etenkin kummallakin napa-alueella.

Auringon pysyvään ohjelmistoon kuuluvat myös soihtuina tunnetut koronan massapurkaukset, joissa avaruuteen ryöpsähtää valtava plasmapallo. Se on miljardeja tonneja kuumaa plasmaa sisältävä pommi, joka voi suuntautua suoraan Maahan.

Pahimmassa tapauksessa kupla kulkee Maan magneettikentän halki ja sähköisesti varautuneita hiukkasia työntyy runsaasti syvälle Maan ilmakehään.

Siitä seuraava geomagneettinen myrsky saattaa aiheuttaa nykyajan huipputekniikkaan nojautuvissa yhteiskunnissa sähkönjakelun ja kansainvälisten viestintäyhteyksien pettämisen.

Auringon plasma voidaan havaita Maassa

Aurinko koostuu pelkästään plasmasta. Ytimessä plasman äärimmäinen kuumuus saa vety-ytimet fuusioitumaan heliumiksi. Reaktiossa vapautuu paljon energiaa.

© Shutterstock

Plasmassa piilee ehtymätön energianlähde

Tieteen ja tekniikan aloilla hyödynnetään jo plasman erikoisominaisuuksia esimerkiksi loisteputkissa ja plasmanäytöissä, mutta vasta viime aikoina on alettu ymmärtää ja kesyttää plasman valtavaa energiapotentiaalia.

Plasma voi korvata suihkukoneiden lentopetrolin uskovat kiinalaistutkijat, jotka ovat kehittäneet oman plasmamoottorin. Sen toiminta perustuu mikroaaltoihin, jotka muuttavat ilmaa plasmaksi.

Plasman läpi puhalletaan paineilmaa, jotta plasma laajentuessaan työntyy voimakkaasti ulos putkesta. Plasmamoottoreille kaavaillaan myös tärkeää osaa Aurinkokunnan valloituksessa.

Plasma on avaruudessa vielä tehokkaampi työntövoiman lähde, koska siellä ei tarvitse ylittää ilmanvastusta eikä painovoimaa niin kuin maassa ja ilmassa.

Suurimmat näkymät tarjoaa fuusioenergia, sillä jos turbulentti olomuoto opitaan hallitsemaan tarpeeksi hyvin, plasmasta saattaa tulla ihmiskunnalle käytännössä ehtymätön energianlähde.

Eri puolilla maailmaa suunnittellaan fuusioreaktoreita, joissa 100–200 miljoonan asteen lämpötilassa muodostuu fuusioreaktioita aikaansaavaa vetyplasmaa. Fuusiovoimalan pitää vangita 100–200 miljoonan asteen lämpötilassa oleva plasma magneettihäkkiin, jotta atomit voivat sulautua yhteen ja vapauttaa energiaa.

Plasmaa yritetään kesyttää kolmella eri ratkaisulla: tokamakilla, pallotokamakilla ja stellaattorilla.

Maailman suurin tokamak, ITER, otetaan suunnitelmien mukaan käyttöön Ranskassa vuonna 2025, pallotokamak taas on tarkoitus saada fuusiovoimalakäyttöön viimeistään 2040-luvun alussa. Stellaattori on musta hevonen, sillä sen rakentaminen on kahteen muuhun reaktorityyppiin verrattuna vaativaa ja kallista.