Fuusioreaktiota on verrattu nuotion tekemiseen likomärillä puilla. Positiivisesti varautuneet vetyatomin ytimet hylkivät toisiaan. Siksi vety-ytimet on pakotettava kiinni toisiinsa joko äärimmäisellä kuumuudella tai ankaralla paineella. Siihen tarvitaan valtavat laitteet, mutta jos fuusioreaktio saadaan alkamaan ja pysymään käynnissä, luvassa on käytännöllisesti katsottuna ehtymätön ympäristöystävällisen ja halvan energian lähde.
Tutkijat ovat yrittäneet saada fuusioreaktion hyötykäyttöön jo vuosikymmeniä.
Nyt ollaan ottamassa uusi iso askel kohti tavoitteen saavuttamista, kun eurooppalainen JET-reaktori aloittaa testit raskaalla ja superraskaalla vedyllä vuoden 2020 lopulla.
JET on nykyisistä koereaktoreista suurin ja ainoa, joka on suunniteltu käyttämään oikeaa tuleviin voimalaitoksiin sopivaa vetypolttoainetta. Muut koereaktorit käyttävät vain raskasta vetyä, joka tuottaa niin vähän fuusioita, että se ei sovi oikeaan voimalaan.
JETissä tehtävät kokeet valmistavat tietä seuraavan sukupolven fuusioreaktoreille, kuten sitä kahdeksan kertaa suuremmalle ITER-koelaitokselle, jota parhaillaan rakennetaan Etelä-Ranskaan. ITERin on määrä käynnistyä vuonna 2025. Tutkijoiden toiveena on, että siinä syntyy itsestään jatkuva fuusioprosessi, joka tuottaa reilusti enemmän energiaa kuin kuluttaa.
Fuusioenergia lupaa paljon. Sen polttoainetta ovat raskas vety, jota saadaan vedestä, ja superraskas vety, jota valmistetaan litiumista.
Merissä on vettä loputtomiin, ja tunnetut litiumvarannot riittävät ainakin tuhanneksi vuodeksi. Toisaalta fuusiovoimaloiden tekniikka on vaativaa.
Kaksi tietä fuusioon
Useimmissa koereaktoreissa käytetään fuusioreaktion aikaansaamiseksi jompaakumpaa kahdesta tekniikasta: laseria tai magneettia. Laserfuusiota on kehitetty etenkin Yhdysvalloissa. Siinä pillerin kokoista vetypalloa pommitetaan joka puolelta voimakkailla lasersäteillä, jolloin vety puristuu kasaan niin suurella voimalla, että vetyatomit fuusioituvat heliumiksi.
Vuonna 2014 Livermoressa Kaliforniassa toimivassa NIF-koelaitoksessa tuotettiin fuusioreaktiolla puolitoista kertaa niin paljon energiaa kuin laserit pumppasivat vetypilleriin. Se oli iso edistysaskel, mutta pettymys oli se, että fuusioreaktiota ei saatu jatkumaan omin voimin.
Magneettitekniikalla fuusio on saatu jatkumaan pidempään kuin laserilla. Magneettiin perustuvia reaktoreita on kahta tyyppiä, joiden välillä käydään kovaa kilpailua. Molemmissa vetypolttoaine kuumennetaan plasmaksi, jossa atomiytimet ja elektronit ovat erillään, ja plasma pidetään voimakkaan magneettikentän avulla irti reaktorin seinistä.
Klassinen fuusioreaktorityyppi on niin sanottu tokamak, johon muun muassa JET ja ITER perustuvat. Tokamak on helpoin rakentaa, mutta siinä polttoaineplasma saadaan pysymään paikoillaan korkeintaan tunti kerrallaan. Sitten reaktori pitää tyhjentää, täyttää uudella polttoaineella ja kuumentaa uudestaan. Kaikki tämä pitäisi tehdä sekunneissa, jotta sähköntuotantoon ei tulisi taukoja.
Toinen reaktorityyppi on stellaraattori. Siinä magneetit ovat epäsymmetrisiä vänkyröitä, joilla saadaan aikaan erittäin vakaa magneettikenttä pitämään polttoaineplasmaa paikallaan. Periaatteessa magneettikenttä voi kestää vuosia. Tällaiseen reaktoriin voitaisiin lisätä polttoainetta jatkuvasti samalla tavalla kuin nuotioon puita.
Epäsymmetristen magneettien vuoksi stellaraattori on vaikea rakentaa. Vuonna 2003 saksalaistutkijat melkein antoivat periksi, kun maailman ensimmäisen ison stellaraattorireaktorin, Wendelstein 7-X:n, rakentamisessa tuli vastaan este toisensa jälkeen. Onneksi he eivät luovuttaneet, sillä nyt reaktori on toiminnassa ja on muutaman vuoden koekäytön aikana saanut plasman pysymään aisoissa 100 sekuntia kerrallaan.
Siitä on vielä matkaa kuuden ja puolen minuutin maailmanennätykseen, joka tehtiin pienellä ranskalaisella WEST-tokamakilla 2003, mutta saksalaiset uskovat, että Wendelstein 7-X pystyy lopulta ylläpitämään fuusiota puoli tuntia yhteen menoon.
Stellaraattori toimii vakaasti
Wendelstein 7-X on reaktorityypiltään stellaraattori. Siinä magneettikenttä on tavallista vakaampi ja fuusioreaktio kestää pidempään. Se on myös rakenteeltaan mutkikkaampi.
Kierot magneettikelat luovat vakaan magneettikentän, joka on yhtä voimakas kaikkialla reaktorissa.
Vetyplasma pysyy paikallaan eikä koske reaktorin seiniin.
Tokamak vaatii jatkuvaa käynnistämistä
JET on tokamak. Se on yksinkertaisin ja periaatteessa vakain reaktorityyppi. Haittana on se, että se toimii vain lyhyen ajan kerrallaan.
Magneettikela reaktorirenkaan keskellä vetää sähköä johtavaa atomiytimistä muodostuvaa plasmaa puoleensa kohti reaktorin keskusta.
D:n muotoiset magneetit estävät kuumaa plasmaa koskettamasta reaktorin seiniä, jolloin se jäähtyisi. Magneettikelojen välimatka on suurempi ja siksi magneettikenttä heikompi renkaan ulko- kuin sisälaidalla.
Ulkolaidan heikkoa magneettikenttää yritetään korvata tuplaamalla magneettien määrä. Silti plasma pysyy irti seinistä enintään tunnin. Sitten reaktori pitää käynnistää uudestaan.
Plasma pyrkii päin seiniä
Nykyisellään kaikki suurimmista koereaktoreista tuottavat vähemmän energiaa kuin niiden polttoaineen kuumentamiseen kuluu. Koereaktoreilla saadut tulokset ovat kuitenkin auttaneet ratkaisemaan monia oikeiden fuusiovoimaloiden kehittämiseen liittyviä ongelmia.
JETin kokeilta odotetaan tietoa siitä, miten raskaan ja superraskaan vedyn seos toimii. Tähän asti superraskaan vedyn käyttöön on suhtauduttu varauksellisesti, koska se on radioaktiivinen aine ja säteilyltä suojaaminen vaatisi kalliita turvatoimia.
Suurin kompastuskivi on kuitenkin polttoaineplasman pitäminen paikoillaan. Kuuma pyörteilevä plasma pyrkii koko ajan irti magneettikentän otteesta. Jos se pääsee osumaan reaktorin seinään, se jäähtyy ja fuusio keskeytyy.
Magneettikenttä tuotetaan reaktorirenkaan ympärillä olevilla voimakkailla magneeteilla. Eläkeikää lähentelevässä JETissä käytetään tavallisia magneetteja, jotka jaksavat pitää plasman aisoissa vain pari sekuntia.
Ensi vuonna japanilaisessa JT60-SA-tokamakreaktorissa testataan suprajohtavia magneetteja, joiden otteen plasmasta pitäisi kestää sata sekuntia.
Seuraava askel on ITER, jota rakennetaan Cadaracheen Etelä-Ranskaan. Parikymmentä miljardia euroa maksava laitos on Euroopan unionin, Yhdysvaltojen, Venäjän, Japanin, Kiinan, Intian ja Etelä-Korean yhteishanke.
Reaktorirakennus on yhtä korkea kuin 15-kerroksinen talo, ja reaktorin paino on 23 000 tonnia. Reaktorirenkaan halkaisija on 19,4 metriä, ja sitä ympäröivät 25 metriä korkeat suprajohtavat magneetit.
ITERissä tavoitellaan niin sanottua syttymistä eli ketjureaktiota, joka pitää fuusion käynnissä itsestään sen jälkeen, kun siihen ei enää syötetä energiaa ulkopuolelta.
Syttyminen tapahtuu, kun vedystä fuusioituneet kuumat heliumytimet törmäävät plasmassa vety-ytimiin ja kuumentavat ne, jolloin ne fuusioituvat uusiksi heliumytimiksi. Näin reaktio jatkuu ja tuottaa energiaa niin kauan kuin se saa polttoainetta ja magneetit pitävät plasman aloillaan. Tavoitteena on ylläpitää reaktiota tunti yhteen menoon.
Kokeet raskaan ja superraskaan vedyn seoksella aloitetaan 2035. Tavoitteena on, että ITER silloin tuottaa kymmenen kertaa niin paljon energiaa kuin sen polttoaineen lämmittämiseen kuluu. Myöhemmin suhde on määrä korottaa 30-kertaiseksi.
ITERissä tuottavat fuusioenergiaa kylmyys ja kuumuus
Polttoaine kuumennetaan reaktorirenkaassa mikroaalloilla suurienergiaisilla vetyatomeilla 150 miljoonaan asteeseen.
Suprajohtavat magneetit
renkaan ympärillä ja keskellä luovat magneettikentän, joka pitää polttoaineplasman paikallaan.
Pinta eristeen alla
on vuorattu litiumilla, joka imee neutroneja ja muuttaa ne fuusiossa käytettäväksi superraskaaksi vedyksi.
Jäähdytin
Reaktorirengasta ympäröivä jäähdytin viilentää magneetit –269 asteeseen, jolloin ne muuttuvat suprajohtaviksi.
Vielä ei tiedetä, onko ITERin seuraaja tokamak vai stellaraattori. Jos Wendelstein 7-x:n tulokset ovat hyviä, tulevaisuuden tekniikka voi olla stellaraattori. Se voi myös olla jokin aivan muu. Joukko yksityisiä yrityksiä nimittäin kehittää erilaisia vaihtoehtoisia pienen mittakaavan ratkaisuja.
Merivedestä hiilivapaata energiaa
Jos kaikki sujuu suunnitelmien mukaan, ensimmäinen fuusiovoimala kytketään sähköverkkoon ehkä vuonna 2060. Riippumatta reaktorin tekniikasta se on turvallisempi kuin nykyiset ydinvoimalat. Siinä ei voi syntyä hallitsemattomia ketjureaktioita, koska reaktori sammuu heti, kun se ei saa lisää polttoainetta. Fuusiovoimala ei myöskään tuota radioaktiivista jätettä, jota pitää valvoa seuraavat 100 000 vuotta. Ainoa jäännöstuote on vaaraton helium.
Fuusioenergia on ilmastoystävällistä. 40 litrasta merivettä ja viidestä grammasta litiumia saadaan raskasta ja superraskasta vetyä niin paljon, että niillä voidaan tuottaa yhtä paljon energiaa kuin 40 tonnista kivihiiltä – ilman hiilidioksidipäästöjä.