Laitteisto on kuin pähkähullun keksijän työpajasta. Siinä on kaksi suppiloa kapeat päät vastakkain ja monimutkainen kelajärjestelmä.
Käynnistyksen jälkeen laitteisto vaikuttaa saavan lisää ulottuvuuksia. Kelojen magneettikentät työntävät renkaana leijuvia hehkuvan kuumia atomiytimiä kohti keskustaa, jossa ne törmäävät toisiinsa 1,6 miljoonan kilometrin tuntinopeudella.
Törmäykset nostavat lämpötilan yli 100 miljoonaan asteeseen. Ytimet fuusioituvat eli sulautuvat yhteen, ja lämpötila nousee lisää. Kuumuus saa sähkövarauksisen polttoaineen laajenemaan ja lähettämään magneettikentän kohti ympäröivää kelasarjaa.
Ja sitten tapahtuu jotain ihmeellistä: kenttä synnyttää keloissa sähkövirran. Ilman turbiineja ja generaattoreita tuotettu sähkö voidaan johtaa suoraan jakeluverkkoon.
Fuusiovoima voidaan ottaa käyttöön 20 vuotta odotettua aikaisemmin.
Yhdysvaltalaisyritys Helion Energyn kehittämä laitteisto edustaa uusinta ajattelua alalla, joka tähtää fuusioenergian käyttöönottoon. Tavoitteena on puhtaan sähkön tuottaminen jo 2030-luvun alussa – eikä vasta 30–40 vuoden kuluttua niin kuin on arveltu.
Helion Energy ei ole suinkaan ainoa yritys, joka on asettanut itselleen tämän tavoitteen. Eri puolilla maailmaa ongelmia ratkoo 30 yhtiötä, jotka ovat keränneet – lähinnä yksityisiltä sijoittajilta – yhteensä yli kaksi miljardia euroa kehityshankkeidensa rahoitukseksi.
Jos kaikki sujuu suunnitelmien mukaan, fuusiovoimalat ehtivät tukemaan vihreää siirtymää, jossa fossiilisista polttoaineista luovutaan vuoteen 2050 mennessä.
Aurinkoa jäljitellään
Fuusiovoimaa on kuvattu haaveeksi saada Aurinko säteilemään maapallolla. Pohjimmiltaan juuri siitä on kysymys. Auringossa syntyy energiaa, kun kevyet vety-ytimet fuusioituvat raskaammiksi heliumytimiksi. Tässä prosessissa vapautuu runsaasti energiaa.
Fuusio on toisin sanoen päinvastainen ydinreaktio kuin fissio, johon nykyisten ydinvoimaloiden toiminta perustuu. Fissiossa raskaat atomiytimet hajoavat kevyemmiksi ytimiksi.
Toive fuusioenergiasta on johtanut kansainvälisiin suurhankkeisiin. Edustavin esimerkki on eurooppalainen ITER-koereaktori, joka on rakenteilla Ranskassa.
Etelä-Ranskaan rakennettava ITER on valmistuessaan maailman suurin koefuusioreaktori. Laitosta on kuvattu kaikkien aikojen haastavimmaksi tekniseksi hankkeeksi.
Fuusio on monessa mielessä fissiota parempi ydinvoimaratkaisu. Ensinnäkin polttoainetta eli vetyä on tarjolla loputtomasti, sillä sitä voidaan valmistaa vedestä. Nykyvoimaloiden käyttämää uraania on taas melko vähän, ja se on kallista.
Toiseksi fuusio on turvallisempi vaihtoehto, sillä reaktori ei voi villiintyä ja sulaa. Fuusioprosessissa ei myöskään synny radioaktiivista jätettä, jota pitäisi varastoida tuhansia vuosia.
Massasta energiaa
Auringon energiantuotannon jäljitteleminen on vaikea tehtävä. Vety-ytimien sulatumista yhteen vaikeuttaa se, että positiivinen varaus saa ne hylkimään toisiaan. Vain äärimmäisen korkea lämpötila ja suuri paine voivat pakottaa ytimet fuusioitumaan.
Fuusioituminen heliumiksi tapahtuu, kun yhteen vetävä vahva ydinvoima voittaa vety-ytimien sähköisen hyljinnän. Koska kaksi vety-ydintä painaa yhdessä enemmän kuin heliumydin, ylimääräinen massa vapautuu energiana.
Vety fuusioituu matalimmassa lämpötilassa – vain 100 miljoonassa asteessa!
Vanhastaan fuusiopolttoaineena on suosittu deuteriumia eli raskasta vetyä, jonka ytimessä on protoni ja neutroni, ja tritiumia eli superraskasta vetyä, jonka ytimessä on protoni ja kaksi neutronia.
Kummankinlainen vety fuusioituu hienosti 100–200 miljoonan asteen lämpötilassa. Muiden polttoaineiden niin sanottu syttyminen vaatii vielä suurempaa kuumuutta.
Syttymisen jälkeen fuusio jatkuu reaktorissa itsestään. Fuusiossa syntyvät erittäin kuumat heliumytimet pitävät yllä tarvittavaa lämpötilaa eli tavallaan jatkavat keiton keittämistä.
Viimeisten 60 vuoden aikana on panostettu ensisijaisesti tokamak-tyyppisen fuusioreaktorin kehittämiseen. Se muistuttaa muodoltaan rinkeliä.
Reaktorirengasta ympäröivät magneetit, joiden tehtävänä on pitää leijuvaa polttoainetta paikallaan, kun se kiertää kehää. Magneettikentät estävät äärimmäisen kuumaa polttoainetta koskettamasta reaktorin seiniä, sillä kosketus sulattaisi ne. ITERin magneetit ovat 25 metriä korkeita ja 400 kilon painoisia.
ITERin 25 metriä korkeita suprajohtavia magneetteja jäähdytetään nestemäisellä heliumilla.
ITERissä aletaan vuonna 2025 tehdä plasmakokeita raskaalla vedyllä, mutta varsinainen koekäyttö, jossa polttoaineena käytetään raskasta ja superraskasta vetyä, alkaa vasta vuonna 2035. ITER ei tule koskaan tuottamaan sähköä jakeluverkkoon. Sähköntuotantoa varten rakennetaan toinen voimala vuosisadan puolivälin jälkeen.
Pienoisreaktori edullisemmin
Yhdysvaltalaisyhtiö Commonwealth Fusion Systems pyrkii lyhentämään odotusaikaa kehittämällään SPARC-nimisellä pikku tokamakilla. Siinä sovelletaan kaikkea sitä tietoa, jonka kansainvälinen fuusiotutkimus on tuottanut vuosien varrella.
SPARC on hieman kuin ITER pienoiskoossa, mutta siitä tekevät erilaisen tekniseksi läpimurroksi luonnehditut uudenlaiset voimakkaat magneetit. Aivan niin kuin muissakin tokamakeissa magneettien kelat on valmistettu suprajohtavista aineista, joissa sähkö voi virrata lähes ilman vastusta.
Jotta ITERin magneetit muuttuvat suprajohtaviksi, niiden lämpötilan pitää laskea –269 asteeseen. SPARCin uudesta ReBCO-nimisestä keraamisesta aineesta valmistetut magneetit ovat suprajohtavia jo –196 asteen lämpötilassa. Sen ansiosta SPARCissa voidaan käyttää jäähdyttämiseen nestetyppeä ITERissä tarvittavan paljon kalliimman nesteheliumin sijasta.
SPARCin ensimmäistä magneettia on jo testattu. Se saa aikaan 20 teslan magneettikentän. Samaa voimakkuutta ei ole saavutettu edes kymmenen kertaa niin suurilla magneeteilla.
Commonwealth Fusion Systems on testannut hyvin tuloksin ensimmäistä SPARCin magneettia.
Kokeiden mukaan vain 2,5 metriä pitkä magneettikela saa aikaan magneettikentän, jonka voimakkuus on puolitoistakertainen verrattuna ITERin valtavien magneettien tuottamaan. Fuusiovoimala voi siis olla kooltaan vain kymmenesosa ITERistä.
Suprajohde pienentää reaktoria
Vaikka SPARC on perinteinen tokamak, se edustaa uutta ajattelua. Käyttämällä uudenlaista maailman voimakkaimman magneettikentän aikaansaavaa suprajohtavaa ainetta reaktorin koko on voitu puristaa kymmenesosaan.
1. Reaktori muistuttaa rinkeliä
SPARC on muodoltaan tokamak, joka on eniten tutkittu reaktorimalli. Rinkelin muotoisessa reaktorissa fuusiopolttoainetta – raskasta ja superraskasta vetyä – leijutetaan kehässä.
2. Polttoaine leijuu magneettikammiossa
Kun polttoainetta kuumennetaan mikroaalloilla, vety muuttuu plasmaksi eli vapaiksi elektroneiksi ja positiivisesti varautuneiksi atomiytimiksi. Siksi vety-ytimiä voidaan pitää paikallaan magneettikammiossa niin, etteivät ne kosketa reaktorin seiniä.
3. Suprajohde vahvistaa pienoismagneetteja
Magneettikammio perustuu 18:aan D-kirjainta muistuttavaan magneettiin, jotka sijaitsevat reaktorin keskiakselin ympärillä. 2,5 metriä pitkät magneetit koostuvat ReBCO-nimisestä materiaalista. Sen lämpötila lasketaan 196 miinusasteeseen.
SPARCia on tarkoitus alkaa testata vuonna 2025. Pienoistokamak käyttää polttoaineena raskasta ja superraskasta vetyä, ja sen pitäisi tuottaa enemmän energiaa kuin se kuluttaa.
Jos tavoite saavutetaan, Commonwealth Fusion Systems rakentaa 2030-luvun alussa hieman suuremman – ARC-nimisen – koevoimalan, joka liitetään sähköverkkoon. Noin 100 megawatin teho mahdollistaisi 100 000 kotitalouden tai suuren hiilidioksidineutraalisti ilman polttomoottoria kulkevan konttialuksen sähköntarpeen tyydyttämisen.
Fuusio lingossa
Kaikki fuusioreaktoria kehittävät yksityisyritykset eivät suinkaan pidä kiinni vanhoista malleista. Esimerkki uusille urille lähteneestä yhtiöstä on kanadalainen General Fusion, joka sananmukaisesti sytyttää fuusiopolttoaineen paukauttamalla.
Kanadalaiskonseptissa itse reaktorikammio pyörii nopeasti. Niinpä sen sisältämä nestemäisen lyijyn ja litiumin seos painautuu seiniä vasten samalla tavalla kuin vesi lingossa.
General Fusionin uudenlaiseen reaktoriin kuuluu pyörivä fuusiokammio, jota ympäröivät kovaa iskevät männät.
Kun linko käy, keskellä reaktoria olevaan fuusiokammioon ruiskutetaan polttoainetta. Samanaikaisesti kammiota reunustavat paineilmamännät takovat sen ulkoseiniä.
Mäntien iskut aiheuttavat voimakkaita paineaaltoja, jotka puristavat polttoainetta ympäröivää nestemäistä metallia kokoon. Polttoaineen tilavuus pienenee ja lämpötila nousee.
Männät käynnistävät fuusion
1. Nestemäinen metalli linkoutuu
Reaktorikammio on lieriömäinen linko, joka pyörii vinhasti pystyakselinsa ympäri. Pyörimisliike painaa nestemäistä lyijyä ja litiumia (punainen) seiniä vasten. Fuusiopolttoaine ruiskutetaan linkoon ylhäältä.
2. Männät hakkaavat joka puolelta
Reaktoria reunustavat männät takovat sitä ulkopuolelta. Iskut aiheuttavat paineaaltoja, jotka painavat polttoainetta ympäröivää sulaa metallia kokoon. Paineen kasvaessa vedyn lämpötila nousee jopa yli 100 miljoonaan asteeseen.
3. Reaktori tuottaa energiaryöppyjä
Kuumuus sytyttää polttoaineen. Fuusio tapahtuu sykäyksittäin. Männät lyövät muutaman sekunnin välein ja tuottavat ryöpyn kerta toisensa perään. Prosessissa syntyvä lämpö muutetaan höyryturbiinilla ja generaattorilla sähköksi.
General Fusion on alkanut rakentaa suurta fuusioreaktoria Englannissa sijaitsevan Culhamin tutkimuskeskuksen yhteyteen. Kokonaisuuteen kuuluu 500 mäntää, jotka puristavat polttoainetta kokoon niin tehokkaasti, että lämpötila nousee 150 miljoonaan asteeseen.
Kun laitos valmistuu suunnitelmien mukaan vuonna 2025, se eroaa edukseen muista, sillä se pystyy tuottamaan itse osan polttoaineena käyttämästään superraskaasta vedystä. Tämä on mahdollista sen ansiosta, että fuusioreaktioista peräisin olevien neutronien osuessa nestemäisen metallin litiumatomeihin syntyy superraskasta vetyä, jota voidaan käyttää reaktorissa yhdessä merivedestä valmistetun raskaan vedyn kanssa.
General Fusionin tutkijoiden pitää ohjata vuonna 2025 valmistuvassa koereaktorissa 500 männän toimintaa. Kuvassa säädetään pienempää reaktorimallia.
Tokamakeissa reaktorirenkaan sisäpuoli pitää päällystää litiumilla, jotta syntyy superraskasta vetyä. Pinnoittaminen on teknisesti vaativa tehtävä.
General Fusion aikoo rakentaa koevoimalan ja ottaa sen käyttöön jo 2030-luvun alussa.
Kiihdytin fuusioi heliumia
Vaikka raskas ja superraskas vety ovat suosituimpia fuusioreaktorin polttoaineita, osa yksityisyrityksistä tutkii mahdollisuuksia käyttää muita vaihtoehtoja. Esimerkiksi Helion Energy on kiinnostunut asiasta. Yhtiö kehittää kiihdytintä, joka muistuttaa kahta ylisuurta suppiloa.
Törmäykset tuottavat sähköä verkkoon
1. Polttoaineannokset törmäävät
Kiihdytin ohjaa kaksi pyörivää vety- ja heliumydinrengasta kohti keskustaa. Sähkövarauksisten hiukkasten pyörimisliike saa aikaan voimakkaan sisäisen magneettikentän, joka pitää renkaita koossa.
2. Polttoaine puristuu
Putkia ympäröivien magneettien aikaansaamat kentät työntävät renkaat ahtaaseen aukkoon, ja renkaat painuvat kokoon. Polttoaineannosten tilavuus pienenee, ennen kuin ne törmäävät toisiinsa reaktorikammiossa, jossa atomiytimet fuusioituvat.
3. Sähköilmiö syntyy
Fuusion lämpö saa polttoaineen laajenemaan rajusti. Koska myös polttoaineen magneettikenttä kasvaa, reaktorikammiota ympäröivissä keloissa syntyy sähköä, joka voidaan johtaa jakeluverkkoon.
12 metriä pitkässä kiihdyttimessä törmäytettävä polttoaine on raskaan vedyn ja helium-3:n seos. Tämän heliumin isotoopin atomiytimessä on neutronin lisäksi kaksi protonia. Fuusiossa syntyy tavallista helium-4:ää, jonka ytimessä on kaksi protonia ja kaksi neutronia, ja vapaa protoni.
Helium-3 on ongelmallinen polttoaine sikäli, ettei isotooppia juuri esiinny maapallolla. Sen lähteeksi onkin ajateltu Kuuta, jonka pinnalle sitä on kertynyt runsaasti aurinkotuulen ansiosta.
Helion Energy ei ole kuitenkaan riippuvainen Kuussa harjoitettavasta kaivostoiminnasta. Yritys on nimittäin kehittänyt ja patentoinut menetelmän, jolla voidaan valmistaa helium-3:a fuusioimalla raskaita vety-ytimiä kiihdyttimen sivutuotteena.
Helion Energy on koekäyttänyt kuudetta kiihdytintään – Trentaa – vuodesta 2020 asti. Siinä on tehty yli 10 000 törmäytystä. Vuonna 2021 ohitettiin tärkeä virstanpylväs, kun fuusioalan yksityinen toimija onnistui ensimmäisen kerran nostamaan polttoaineen lämpötilan 100 miljoonaan asteeseen.
Helion Energy onnistui ensimmäisenä yksityisyrityksenä nostamaan fuusiokammion lämpötilan yli 100 miljoonaan asteeseen.
Nerokkaaksi Helion Energyn konseptin tekee se, että fuusioreaktori tuottaa suoraan sähköä sillä magneettikentällä, joka siinä syntyy. Ei siis tarvita perinteisten voimaloiden höyryturbiineja eikä generaattoreita, jotka muuttavat lämmön sähköksi. Se laskee fuusioenergian hintaa.
Rakenteella on muitakin etuja. Kun polttoaineena käytetään helium-3:a ja raskasta vetyä, syttyminen eli itsestään jatkuva fuusio vaatii normaalisti satojen miljoonien asteiden lämpötilan. Helion Energyn ratkaisussa polttoaineen ei tarvitse edes syttyä: riittää, että se laajenee ja saa aikaan näin sykäyksiä, jotka muuttavat magneettikenttää ympäröivissä keloissa.
Trentassa törmäysväli on lyhimmilläänkin kymmenen minuuttia. Helion Energy on jo ryhtynyt rakentamaan sen seuraajaa, Polarista, jossa törmäykset ovat mahdollisia sekunnin välein. Sen odotetaan alkavan tuottaa vuonna 2024 ensimmäisenä fuusioreaktorina sähköä jakeluverkkoon – tosin vain nimeksi.
Jos Polaris vastaa odotuksia, Helion Energy kaavailee rakentavansa kaupallisen fuusiovoimalan 2030-luvun alkupuolella.
Fuusiosta säätövoimaa
Fuusioenergia täydentää hienosti aurinko- ja tuulisähköä, joiden tuotannossa on säästä sekä vuoden- ja vuorokaudenajoista riippuvaa vaihtelua. Fuusiovoimaloista saadaan säätövoimaa samalla tavalla kuin hiili-, kaasu- ja vesivoimalaitoksista.
Ydinvoima pesee kasvonsa fuusiovoimaloiden myötä, sillä niissä ei synny runsasaktiivista jätettä, jota pitää varastoida 100 000 vuotta. Vasta sitten, kun fuusioreaktori on käytetty loppuun, se aiheuttaa pienen säteilyongelman, sillä neutronit ovat tehneet siitä radioaktiivisen. Tälle jätteelle riittää noin 100 vuoden säilytys.
Monin tavoin edullisessa fuusioenergiassa on nähty keino, jolla uhkaava ilmastokatastrofi voidaan torjua. Jos yksityisyritysten optimistiset aikatauluarviot pitävät kutinsa, väline valmistuu ennen kuin on liian myöhäistä.
