Kosmista Mustangia kesyttämässä, osa 2/2
Tässä kaksiosaisessa artikkelissa käymme läpi fuusioenergian viimeaikaista kehitystä, jossa on saavutettu viime vuosina merkittäviä askelia kohti kaupallista hyötykäyttöä. Tässä toisessa osassa kerromme tarkemmin, millaisiin kokeellisiin rakennelmiin on päädytty fuusioenergian hyödyntämisessä ja kuinka ne ovat onnistuneet.
Donitseja ja omenoita
Toroidaalisen magneettisen häkin toteuttamiseen on parikin teknologiavaihtoehtoa. Yksinkertaisin ja siinä mielessä kaunein näistä on nk. tokamak, katso: Kuva 1, jossa toroidaalinen kenttä luodaan ulkoisilla keloilla, mutta poloidaalinen komponentti syntyy muuntajaperiaatteella, kun plasmaan ajetaan laitteen keskellä olevassa ensiöpiirissä ajasta riippuvaa sähkövirtaa, joka indusoi plasmaan miljoonien ampeerien toroidaalisen nk. plasmavirran. Amperen lain mukaan tämä virta takaa kentälle poloidaalisen komponentin. Mutta plasmavirralla on toinenkin funktio: kuten mikä tahansa sähkövirta, se kuumentaa omaan johdinmateriaalia eli itse plasmaa! Tokamak olikin niin nerokas keksintö, että sen alustavien tulosten pohjalta ennustettiin, että viidessä vuodessa joka keittiön nurkassa hyrrää oma pieni tokamak. Ei sitten hyrrännyt. Kävi nimittäin ilmi, että tämä nk. ohminen kuumennus saturoituu jo muutaman keV:n lämpötilassa, kun plasman resistiivisyys häviää, joten pelkästään tällä lähestymistavalla ei fuusio-olosuhteisiin päästä.
Tokamakia vanhempi konsepti on nk. stellaraattori, jossa kokonaiskenttä tuotetaan ulkoisilla keloilla. Tuloksena on laite, joka näyttää pilalle potkitulta tokamakilta, kuten kuvassa 6(b) on esitetty. Ulkonäkö ei kuitenkaan ole tämän laitteen suurin ongelma vaan sen matemaattisten symmetriaominaisuuksien puute. Emmy Noetherin teoreemahan kertoo, että jokaista symmetriaa vastaa joku liikevakio. Tokamak on periaatteeltaan aksisymmetrinen laite ja tuota symmetriaa vastaava liikevakio on nk. toroidaalinen kanoninen kulmaliikemäärä. Tämä liikevakio pitää huolta siitä, että toroidaalisen geometrian aiheuttamat ajautumiset lopulta kumoavat vaikutuksensa eivätkä hiukkaset lähde vaeltamaan. Koska stellaraattorin hiukkasten koossapitoa ei voida siis matemaattisesti taata, tämä konsepti on ollut kymmeniä vuosia lapsipuolen asemassa, koska se on vuotanut kuin seula.
Tilanne on kuitenkin ehkä muuttumassa. Syitä on kaksi. Tokamakin ”vaiettu salaisuus” liittyy sen hyödyntämään induktioon: induktion takia kaunis ja aksisymmetrinen fuusioplasma toteutetaan vain pulsseina, mikä voimalaitoksen kannalta ei oikein ole ideaalista. Stellaraattori ulkoisine keloineen on puolestaan suoraan voimalaitoskelpoinen. Toinen syy on suurteholaskennan kehittyminen. Kynällä ja paperilla on ollut mahdotonta optimoida 3D-geometriaa, mutta supertietokoneiden myös tilanne muuttui ja ensimmäinen numeerisesti optimoitu stellaraattori pörähti käyntiin Max Planck -instituutissa Greifwaldissa vuonna 2016. Tulokset ovat olleet lupaavia, vaikka matka on ollut yhtä kuoppainen kuin stellaraattorin ulkomuotokin.
Eikä siinä kaikki: uusimpana tulokkaana on karauttanut esiin fuusion musta hevonen, nk. pallotokamak, jonka periaate on sama kuin tokamakilla, mutta konfiguraatio muistuttaa enemmän omenaa kuin donitsia, katso: Kuva 2. Tässä siis toruksen ”reikä” on supistettu minimiin, jolloin myös laitteen koko pienenee merkittävästi. Tähän muutokseen on kaksi motivaatiota: tokamakien kallein komponentti ovat toroidaalista kenttää ylläpitävät (suprajohtavat) kelat, joten kohtuuhintaista energiantuotantoa etsittäessä tämä on ilmeinen kohta, jossa kustannuksia kannattaa optimoida. Toinen syy ei ole ilmeinen eikä sitä vielä edes ymmärretä.
Koska on kyse magneettisesta koossapidosta, olettaisi plasman pysyvän sitä paremmin kasassa, mitä isompi magneettikenttä. Näin toki onkin, mutta ei kovin vahvasti. Empiirisesti on nimittäin havaittu, että plasman koossapitoaika ei kasva lineaarisesti magneettikentän voimakkuuden mukaan vaan riippuvuus on huomattavasti heikompi: τ ∝ B 0,4. Pallotokamakeissa sen sijaan riippuvuus on lineaarinen, joten pallotokamakit näyttävät hyödyntävän magneettikentän tehokkaammin. Maailman ensimmäinen pallotokamak, START, pyöräytti ensimmäisen plasmansa jo vuonna 1990 Culham Science Centerissä (UK), ja koska konsepti näytti toimivan, seuraajia on tällä vuosituhannella rakennettu Atlantin molemmin puolin.
Vielä on liian aikaista alkaa ennustaa, mitä näistä kolmesta teknologiasta ensimmäinen fuusiovoimala tulee edustamaan. Jotain on kuitenkin uskallettu jo päättää: Koska tokamak-konseptia on tutkittu ja kehitetty pisimpään, perustuu Etelä-Ranskassa kansainvälisenä yhteistyönä rakenteilla oleva maailman ensimmäinen fuusioreaktori ITER (kuva 3) tähän konseptiin. Vaikka osoittautuisi, että joku toinen konsepti olisi lopulta sopivampi voimalaitokseksi, tulee tämä tutkimusreaktori antamaan vastauksia moniin tieteellisiin ja teknologisiin kysymyksiin, jotka ovat yhteisiä magneettiseen koossapitoon perustuville fuusiolaitoksille.
Räjähtävää voimaa
Vaikka Ivy Mike oli aseteollinen koe ja sellaisena erittäin valitettava, tuli siinä samalla siis osoitettua fuusioenergian vapauttaminen ihmisen toimesta. Niinpä ilman sen isompaa metelin pitämistä myös pikkuruisten DT-”pommien” kontrolloitua räjäyttämistä on tutkittu ennen kaikkea Lawrence Livermore National Laboratoriossa (LLNL) Kaliforniassa. Yllättäen tutkimus ei kuulu DOE:n (Department of Energy) piiriin vaan DOD:n (Department of Defence). Tässä lähestymistavassa annetaan piut paut millekään koossapidolle, ja siksi teknologiaa kutsutaankin inertiaalikoossapidoksi, missä ainoa koossapitävä voima on elektronien massan hitaus.
Tässä ei siis vaivauduta kahlitsemaan fuusioituvaa plasmaa, vaan täräytetään se kerralla sellaisiin olosuhteisiin, että fuusiopalon on pakko syttyä. ”Sellaiset olosuhteet” synnytetään puristamalla muutamien millien kokoinen DT-polttoainenappi (kuva 4) kirjaimellisesti tähtitieteellisiin paineisiin, jolloin deuteronit ja tritonit pakotetaan niin lähelle toisiaan, että lyhytkantamainen vahvavuorovaikutus pääsee nappaamaan niistä kiinni ja pudottamaan ne valtavaan potentiaalikuiluunsa, jolloin vapautuu tuo edellä esitetty 17,6 MeV. Itse puristaminen voidaan toteuttaa joko hiukkassuihkuilla tai lasereilla, joista jälkimmäinen ainakin toistaiseksi on vetänyt huomattavasti pitemmän korren, kuten myöhemmin kerron. Niinpä yleensä ei puhutakaan inertiaalifuusiosta vaan laserfuusiosta.
Laserfuusioon perustuvassa voimalaitoksessa energiaa tuotettaisiin ”sarjatulella” eli räjäyttämällä pieniä vetypommeja tasaisella taajuudella. Vertaamalla kuvia 3 ja 4 syntyy helposti vaikutelma, että tämähän on näppärä ja kompakti teknologia. Vaikutelma on väärä, kuten kuva 5 osoittaa. Siinä on valokuva itse räjäytyskammiosta. Pienempi rakennelma ei pystyisi ottamaan valtavaa vapautuvaa tehoa vastaan. Ja tämä on vielä pientä verrattuna siihen tilaan, jonka polttoainenapin puristamiseen tarvittavat laserit vievät: ne kattavat alueen, jolle mahtuisi kolme jalkapallokenttää vierekkäin. Kompaktius on kuitenkin suhteellinen käsite. Fuusioon perustuvat laitteet teknologiasta riippumatta vievät säälittävän vähän tilaa ja materiaaleja verrattuna saman verran tuottaviin aurinko- tai tuulivoimaloihin. Mutta aurinko- ja tuulivoimaloita sentään on. Missä viipyy fuusiovoimala?
Fuusiota rajoittavat aidat kaatuvat ryskyen
Magneettisen fuusion pitkäaikaisena kompastuskivenä on ollut sen karakteristinen koossapitoaika, joka on itsepäisesti pysynyt heikompana kuin mitä teoria ennusti. Lopulta on ymmärretty sen johtuvan ulkoisen kuumennuksen aiheuttamasta mikroturbulenssista – kuumennussuihkut plasmassa toimivat analogisesti lusikan heiluttamisen kanssa kahvikupissa: turbulenssi nopeuttaa jäähtymistä. Plasmassa ilmiö on kuitenkin paljon monisyisempi, ja onkin vaatinut vuosien, ellei kymmenien vuosien ankaraa kokeellista ja teoreettista vääntämistä, ennen kuin mekanismi on ymmärretty edes auttavasti – ja päästy parempiin tuloksiin.
DT-fuusion tieteellinen toteutettavuus magneettisessa koossapidossa osoitettiin jo vuonna 1997 JET-tokamakilla toteutetussa kampanjassa, jossa laite ladattiin ensimmäistä kertaa oikealla DT-polttoineella. Fuusiotutkimuslaitteethan operoivat pääasiassa puhtaalla deuteriumkaasulla siitä iloisesta syystä, että jo kymmeniä vuosia sitten nämä plasmat olivat niin suorituskykyisiä, että DT-polttoaineesta olisi syntynyt aivan liikaa neutroneja, jotka olisivat voineet aktivoida tutkimuslaitteen rakenteita. Kuvassa 6(a) esitetään vuoden 1997 kokeiden antama ennätys fuusiotuotossa: 16 MW. Tämä ei kuitenkaan ollut vielä nettotuottoa, vaan vasta n. 7
Hetkellinen huipputeho ei kuitenkaan ole se, mitä voimalaitos vaatii, vaan tehoa pitäisi tuottaa jatkuvasti. Joulukuussa 2021 toteutettiin uusi DT-kampanja, jossa hyödynnettiin vuosien varrella kertynyttä ymmärrystä ja saatiin uudet ennätysarvot fuusion jatkuvalle tuotolle, kuten kuvassa 6(b) näkyy. Parannus ei ehkä näytä dramaattiselta, mutta todellinen läpimurto liittyy siihen, että näissä kokeissa ei seinämateriaalina ollut hiilipohjainen grafiitti, jota ei voi ajatellakaan käytettäväksi voimalaitoksessa, vaan ITERiin valitut wolframi ja beryllium. Tärkeintä näissä harvinaislaatuisissa kokeissa on se, ettei luontoäiti yllätä meitä ikävästi tuomalla esiin jonkun ennalta arvaamattoman ongelman. Nyt tiedämme olevamme oikealla polulla!
Siinä missä perinteisten tokamakien kompastuskivi on ollut tuo koossapitoaika, pallotokamakeilla on ollut ongelmia fuusiorelevanttien lämpötilojen saavuttamisessa – ne ovat jääneet tekijällä kymmenen jälkeen tokamakien ennätyksistä. Culhamissa Englannissa on yksityinen fuusioyritys nimeltä Tokamak Energy Ltd (TE), joka pyrkii nopeaan fuusion nettotuottoon pallotokamak-konseptilla ja kehittämällä korkean lämpötilan ja korkean kentän suprajohtavia (HTS) magneetteja – tavoitteena tietenkin kompakti ja siten taloudellinen fuusioreaktori. Koska tutkimusta tehdään sijoittajien rahoilla, on syytä olla konkreettisia välitavoitteita, joilla osoittaa tämän erittäin haasteellisen tutkimus- ja kehitystyön edistymistä. Yhdeksi tällaiseksi Business Milestoneksi he laittoivat fuusiorelevantin lämpötilan (100 000 K) saavuttamisen. Sinnikkään kehitystyön tuottamien oivallusten jälkeen tuo maaginen raja saatiin ylitettyä vuonna 2022 – ja taas yksi este fuusioenergian tuottamisen tieltä oli raivattu!
Toinen yksityisellä rahalla pyörivä fuusioyritys löytyy rapakon toiselta puolelta: CFS (Commonwealth Fusion Systems) pyrkii samoihin tavoitteisiin kuin TE, mutta perinteisellä tokamak-konseptilla. Koska heidän SPARC-tokamakinsa on edelleen vasta rakenteilla, heidän ensimmäinen Business Milestonensa liittyi noihin edistyksellisiin magneetteihin: vuoden 2021 lopulla, CFS:n ja MIT:n yhteistyönä kehitetty täysikokoinen HTS-magneetti tuotti ennätyksellisen 20 teslan magneettikentän. Vertailun vuoksi MRI-kuvauksessa käytettävät ”suuret” magneettikentät ovat alle 10
Sokerina pohjalla löytyy sitten varsinainen uutispommi Suomen itsenäisyyspäivän aattona viime vuonna: 5.12.2022 saavutettiin lopulta tilanne, jossa fuusioplasma vapautti enemmän energiaa kuin mitä oli syönyt! Tämä tapahtui, kun LLNL:n kokeissa jäinen DT-nappi absorboi 2,05 MJ verran lasereiden tehoa ja vapautti 3,15 MJ fuusioenergiaa. Tätä plasman break-eveniä, jossa fuusiotuotto on vähintään yhtä paljon kuin siihen syötetty energia, on tietenkin yritetty ja toivottu vuosikymmeniä, ja silti nyt tuntuu, että se tapahtui silmänräpäyksessä. Itse asiassa se tapahtui vieläkin nopeammin: pieni vetypommi räjähti alle nanosekunnissa.
Loppupohdintoja
Hyvältä vaikuttaa – fuusioenergian nettotuotto on kokeellisesti osoitettu! Olisiko siis nyt aika alkaa rakentaa laserfuusioon perustuvaa voimalaa Hanhikiven alueelle, mistä Rosatom on vetäytynyt?
Ei ole. Vaikka polttoainenappiin asti päätynyt energia oli vähemmän kuin fuusiossa vapautuva, niin töpselin ja napin väliin mahtui monta mutkaa, joiden takia töpselistä tarvittiin sata kertaa enemmän energiaa, 320 MJ. Tämä ei vähennä saavutuksen merkitystä, koska nuo välimutkat liittyvät sitten teknologian parantamiseen – kokeessa käytetyt laserit nimittäin olivat jo vähän iäkkäitä eivätkä mitenkään juuri tuohon kokeeseen optimoituja.
Mihin konseptiin sitten itse laittaisin ylimääräiset rahani, jos sellaisia olisi? Vaikka laserfuusio oli nyt se lähestymistapa, jolla fuusiopalo saavutettiin, on siinä edelleen suurempia avoimia kysymyksiä kuin magneettisessa fuusiossa, jonka edistyminen on ollut tasaista taapertamista. En voi välttää mielikuvaa lasten sadun jäniksen ja kilpikonnan kilpajuoksusta. Mutta aika näyttää – tulevaisuutta on vaikeampi ennustaa kuin menneisyyttä.
Mutta selvää on, että tulee kulumaan kymmeniä vuosia, ennen kuin töpselistä tulee fuusiosähköä. Sitä odotellessa on äärimmäisen tärkeää ymmärtää, että ihmiskunnan kohtalon kysymys ei ole, mistä saada lisää puhtaampaa energiaa – varsinkaan, jos se puhtaus määritellään poliittisilla päätöksillä. Ihmiskunnan kohtalon kysymys on sekä energian että luonnonvarojen ylikuluttaminen. Tähän ongelmaan voi jokainen meistä vaikuttaa tarkastelemalla avoimen kriittisesti omia päivittäisiä / viikottaisia / kausittaisia käytäntöjään ja miettimällä, onko joku niistä.
Mutta jotain on ainakin Suomessa jo tehty oikein: Suomen sähköntuotannosta on jo 89 prosenttia hiilivapaata. Vielä kun saamme lämmityksen yhtä hyvälle tolalle, niin kyllä kelpaa muiden maiden ottaa meistä mallia! Siis fuusiosähköä odotellessa.
