Fuusiolla puhtaampaa energiaa. FUSION-teknologiaohjelma

Transkriptio

1 Fuusiolla puhtaampaa energiaa FUSION-teknologiaohjelma

2 Fuusiolla puhtaampaa energiaa FUSION Fuusioenergian teknologiaohjelma Tekesin FUSION-teknologiaohjelma on osa Euroopan Unionin fuusioohjelmaa. Suomen ohjelman tavoitteena on vahva teknistieteellinen tulos sekä toimiva yhteistyö tutkimuslaitosten ja teollisuuden välillä. VTT tekee neutronisäteilytyksen alaisena olevien materiaalien mekaanisia rasituskokeita. Kuvassa viimeistellään VTT:n valmistamaa testauslaitteistoa, joka sijoitetaan belgialaiseen tutkimusreaktoriin. Ohjelmassa kehitetään ja analysoidaan suurta lämpökuormaa kestäviä pinnoitteita sekä älypinnoitteita fuusiokammion sisäosiin. Kuvassa JET:lle toimitetut volframipinnoitetut divertorilaatat. (VTT, Helsingin yliopisto ja Diarc Technology Oy) Ohjelmassa tehtävä korkeatasoinen tutkimus luo teollisuudellemme hyvät asemat myytäessä suomalaista osaamista kansainvälisen ITER-fuusiokoevoimalaitoksen rakentamiseen. Yhteistyöhön osallistuvat VTT, Teknillinen korkeakoulu, Tampereen ja Lappeenrannan teknilliset yliopistot, Helsingin yliopisto sekä useat teollisuusyritykset. FUSION-ohjelmaa koordinoi VTT Prosessit. HYVINVOINTI EDELLYTTÄÄ ENERGIAN SAANNIN TURVAAMISTA MYÖS TULEVAISUUDESSA Maapallon väestön kasvu ja nopea taloudellinen kehitys moninkertaistavat energiankulutuksen seuraavan vuoden aikana. Samalla fossiilisten polttoaineiden käyttö vähenee niiden ehtymisen ja kallistuvan hinnan sekä haitallisten ympäristövaikutusten takia. Tulevaisuuden kestävät energiamuodot ovat bioenergia, vesivoima, geoterminen energia, tuuli- ja aurinkoenergia sekä fissio- ja fuusioenergia. Kaikkia näitä tulee kehittää ja ottaa käyttöön, jotta tulevaisuuden energiatarpeet voidaan tyydyttää kestävällä tavalla. Fuusioenergia on lupaava vaihtoehto erityisesti tulevaisuuden perusvoiman tuottamiseen, joten se sopii hyvin kauaskantoiseen kestävään energiantuotantoon. Fuusio ei tuota kasvihuonekaasuja eikä radioaktiivista polttoainejätettä, sillä palotuotteena syntyy heliumia. Fuusiopolttoainetta on käytännössä rajattomasti ja sitä on kaikkialla. EU:n fuusio-ohjelman tavoitteena on kehittää yhteistyössä turvallista, ympäristöystävällistä ja taloudellisesti kilpailukykyistä fuusiovoimaa tulevaisuuden energiatarpeisiin. Suomi on sitoutunut tähän yhteiseen tavoitteeseen.

3 EFDA Yhteiseurooppalainen JET on maailman suorituskykyisin fuusiokoelaite, joka tuottaa jatkuvasti uutta tietopohjaa ITERin koeohjelmalle. JET:llä on fuusiokokeiden lisäksi testattu fuusioteknologiaa kuten kauko-ohjattua huolto- ja korjaustyötä sekä tritiumin turvallista käyttöä ja käsittelyä. VTT ja Teknillinen korkeakoulu osallistuvat aktiivisesti JET:n kokeisiin. FUSION-OHJELMAN TAVOITTEET Toimiva tutkimusyksikköjen ja teollisuuden yhteistyö, jolla vahvistetaan Suomen kilpailukykyä ITER-projektissa. Suomalaisen teknologian toimittaminen ITERin rakentamiseen, teknologian siirto ja kehitetyn teknologian käyttö muihin sovelluksiin. Huipputasoinen teknistieteellinen tutkimus- ja kehityspanos fuusiofysiikan ja materiaalitutkimuksen avainaloilla. FUSION-OHJELMAN PAINOPISTEET Kokeellinen fuusiotutkimus Euroopan suorituskykyisimmillä laitteilla sekä kokeiden mallintaminen. Fuusioreaktorien materiaalitutkimus sekä liitostekniikoiden ja vaativien metallirakenteiden kehittäminen ITERille. ITERin huoltojärjestelmien vesihydraulisten komponenttien suunnittelu. Suprajohtavien lankojen kehitys ja valmistaminen. Turvallisuusanalyysit ja fuusion sosioekonomiset vaikutukset. Renkaan muotoisessa tokamak-laitteessa (fuusiokoelaite) sadan miljoonan asteen plasma vangitaan voimakkaalla magneettikentällä. Ohjelmassa tutkitaan plasman kuumennusta, sen lämmön eristystä ja vaikutuksia ensiseinämään. (VTT, Teknillinen korkeakoulu, Helsingin yliopisto) FUUSIOFYSIIKKA VAATII SYVÄLLISTÄ OSAAMISTA Fuusiofysiikan voimavarat on kohdennettu kansainvälisiin huippukokeisiin eikä pienimuotoiseen kansalliseen koetoimintaan. Yhteistyössä JET:n (Joint European Torus) ja AUG:n (Asdex Upgrade Tokamak) kanssa tehtävän tutkimustyön aiheina ovat: energian ja hiukkasten kuljetusteoria ja simulointimallit fuusioplasman kuumennus radiotaajuusaalloilla reunaplasman ilmiöt ja plasman vaikutukset ensiseinämään Molekyylidynaamisilla simulaatiomalleilla tutkitaan ensiseinämän volframipinnan eroosiota plasmasta karkaavien atomien pommituksessa. Simulaatiolla voidaan selvittää eri eroosiomekanismien tärkeyttä olosuhteiden muuttuessa. (Helsingin yliopisto)

4 Kokeiden mallintamiseen ja tulosten analysointiin käytetään osittain Suomessa kehitettyjä tietokoneohjelmistoja. Suomalaiset toimivat myös JETkokeiden tieteellisinä koordinaattoreina. Fysiikan tutkimus toimii fuusioteknologian veturina ja antaa tavoitteet sekä määrittelee vaatimukset teollisuuden valmistamille komponenteille ja järjestelmille. Plasma-seinämäilmiöiden tutkimuksessa käytetään Suomessa pinnoitettuja ensiseinämälaattoja, joita on asennettu JET:n ja AUG:n sisään. Tutkimuksella selvitetään laattojen kulumista sekä pintamateriaalin kulkeutumista ja uudelleen tarttumista. Pinnoitukset analysoidaan VTT:n SIMSlaitteella sekä Helsingin yliopiston ionisuihkulaitteistolla ennen asennusta ja käytön jälkeen. TEOLLISUUDEN JA TUTKIMUKSEN YHTEISTYÖ NOSTAA SUOMALAISEN OSAAMISEN TASOA Suomalainen teollisuus on aktiivisesti mukana FUSION-ohjelman kehityshankkeissa yhteistyössä tutkimuslaitosten kanssa. Lisäksi suomalaisen teollisuuden asiantuntijoita toimii EFDA:n (European Fusion Development Agreement) teknologiayksikössä Saksassa. Fortum Oyj kuuluu EFET-konsortioon (European Fusion Engineering and Technology) ja Outokumpu Oyj:llä on edustus EU:n fuusio-ohjeman teollisuuskomiteassa. Materiaalitutkimuksessa keskitytään monimetallikomponenttien valmistusmenetelmiin sekä niissä tarvittavien erimetalliliitosten ja lujien kupariseosten karakterisointiin. Komponentit testataan vaativissa lämpökuormituskokeissa. FUSION-ohjelmassa kehitetään myös ITERin rakennusvaiheessa tarvittavia hitsausmenetelmiä kuten laser- ja elektronisuihkuhitsausta. Teollisuuskumppaneina valmistusmenetelmien kehitystyössä ovat mukana Metso Powdermet Oy ja Hollming Works. Outokumpu Poricopper Oy on yksi maailman johtavista suprajohteiden valmistajista ja siten mahdollinen supralankojen toimittaja myös ITERille. Se on mukana kehitystyössä ja on valmistanut koe-eriä ITERille suunniteltua niobi-tina lankaa. Suprajohteiden tilaukset tehdään mahdollisimman nopeasti ITERin rakennuspäätöksen jälkeen. Huoltojärjestelmien ja robotiikan suunnittelussa virtuaalimallit ovat tärkeässä roolissa. Niillä voidaan testata myös huoltojärjestelmien käytettävyyttä ja sitä kautta parantaa suunnittelua jo ennen prototyyppivaihetta. Vesihydrauliikan soveltaminen huoltojärjestelmissä on esimerkki suomalaisen teknologian läpimurrosta ITER-ympäristössä. EUROOPPA ON FUUSIOTUTKIMUKSEN KÄRJESSÄ EU:n fuusio-ohjelman tavoitteena on kehittää fuusiosta kestävä ja kaupallisesti kilpailukykyinen energianlähde tuleville sukupolville. Ohjelma on reaktorikeskeinen, mikä on ohjannut koeohjelmaa ja teknologiatyötä sekä vienyt Euroopan maailman fuusiotutkimuksen johtoon. Englannissa sijaitseva yhteiseurooppalainen JET-tokamak on maailman suurin fuusiokoelaite, jolla on fuusiotehon maailmanennätys 16 megawattia. JET toimii myös fuusioteknologian testauslaitteistona. Merkittävä osa EU:n fuusiotutkimuksesta tehdään kansallisten laboratorioiden koelaitteilla. Fuusioteknologian kehitystyö ja JET:n koetoiminta tehdään eurooppalaisen fuusiosopimuksen EFDA:n piirissä. Lähitulevaisuuden suurimpana haasteena ovat Euroopan toimitukset ITERille. Metso Powdermet Oy on kehittänyt VTT:n kanssa monimetallikomponenttien valmistusta. Kuvassa pulveri-hip-menetelmällä valmistettava ensiseinämäpaneeli valmistusvaiheessa. Komponenttien erimetalliliitoksia tutkitaan VTT:llä. Ohjelmassa kehitetään vaativaa hitsaustekniikkaa ja robotiikkaa ITERin paksuille teräsrakenteille. Apuna käytetään virtuaalimalleja. Kuvan hybridihitsauksessa on yhdistetty laserhitsaus ja perinteinen kaarimenetelmä. (VTT ja Lappeenrannan teknillinen yliopisto) Outokumpu Poricopper Oy on kehittänyt ITERille niobi-titaani ja niobi-tina suprajohdelankoja. Tampereen teknillinen yliopisto tekee johdinten sähkömagneettista karakterisointia. Ohjelmassa suunnitellaan, valmistetaan ja testataan vesihydraulisia työkaluja ja manipulaattoreita ITERin huoltojärjestelmiin. Huoltotoiminnat testataan virtuaalimalleilla. (Tampereen teknillinen yliopisto, Creanex Oy ja Adwatec Oy)

5 ITER ITER-fuusiokoevoimalaitoksen tavoitteena on osoittaa fuusion teknistieteellinen toteutettavuus ja fuusioenergian mahdollisuudet tulevaisuuden energialähteenä. ITER tulee olemaan mittavin maailmanlaajuinen tutkimushanke kansainvälisen avaruusaseman jälkeen. KOEVOIMALA ITER ON RATKAISEVA ASKEL Seuraavan polven koereaktori ITER on suunniteltu maailmanlaajuisena yhteistyönä. Sen tavoitteena on osoittaa fuusion teknistieteellinen toteutettavuus. Onnistuessaan ITER-projekti vahvistaa sen, että fuusio on todellinen energiavaihtoehto tulevaisuudessa. Suunnittelusta ovat vastanneet EU, Japani, Venäjä ja Yhdysvallat. Vuoden 2003 aikana Kiina ja Etelä-Korea liittyivät ITER-organisaatioon (International Fusion Energy Organisation). ITER tulee olemaan voimalaitoksen kokoluokkaa ja se sisältää voimalan kannalta kaiken olennaisen fuusioteknologian. Sen fuusiotehoksi ennustetaan 500 megawattia. Fuusiopalo ylläpidetään 50 megawatin kuumennusteholla eli tehovahvistus on kymmenkertainen. Uusimpien koetulosten valossa myös plasman syttyminen on mahdollista. Tällöin fuusiopalo ylläpitää itsensä ja lisäkuumennus voidaan lopettaa. FUUSIOENERGIA LYHYESTI Auringon ja tähtien energiantuotto perustuu kevyiden atomiytimien sulautumiseen eli fuusioon. Energian vapautumisen lisäksi syntyy raskaampia alkuaineita. Ensimmäiset fuusioreaktorit perustuvat vedyn raskaiden isotooppien deuteriumin ja tritiumin fuusioon. Deuteriumia on merivedessä rajattomasti ja tritium voidaan valmistaa litiumista, joka on yleinen alkuaine maankuoressa. Tuhannen megawatin fuusiosähkövoimala kuluttaa noin 750 grammaa deuterium-tritium-polttoainetta päivässä, ja reaktiotuotteena syntyy noin 600 grammaa arvokasta heliumkaasua. Fuusioreaktiot vaativat korkean, yli 100 miljoonan Celsius-asteen lämpötilan. Tällöin polttoainevety on täysin ionisoitunutta kaasua eli plasmaa, joka johtaa hyvin sähköä. Plasman kuumennukseen käytetään suuritehoisia hiukkassuihkuja tai radiotaajuusaaltoja. Kuuma plasma pidetään koossa ja eristetään kammion seinämistä hyvin voimakkailla magneettikentillä. Plasma on aineen neljäs olomuoto kiinteän, nesteen ja kaasun ohella. Maailmankaikkeuden materiasta yli 99 prosenttia on olomuodoltaan plasmaa. D T Deuteriumin (D) ja tritiumin (T) fuusioreaktiossa syntyy helium-ydin ja neutroni. Energiaa vapautuu lähes kwh grammasta polttoainetta. n 4 He

6 Association Euratom Tekes MITEN MUKAAN FUSION-OHJELMAAN? Yritykset voivat lähettää hakemuksiaan jatkuvasti. Tutkimuslaitoksille, yliopistoille ja korkeakouluille järjestetään omia hakuaikoja vuosittain. Lisää tietoa hakuajoista ohjelman sivuilta ja ohjeita rahoituksen hakemisesta LISÄTIETOJA Ohjelmapäällikkö Seppo Karttunen VTT Prosessit puh. (09) , Teknologia-asiantuntija Juha Lindén Tekes puh , PL 69, (Kyllikinportti 2, Länsi-Pasila), Helsinki Puh , fax (09) , Maaliskuu 2004 / Oddball Graphics / Markprint / Kannen kuvat: SOHO Consortium (ESA & NASA), ITER