Yhdysvaltalaisen koereaktorin. käynnistyy, kun192 laseria suunnataan pieneen polttoainesäiliöön. PHILIP SALTONSTALL/LLNL

Transkriptio

1 Yhdysvaltalaisen koereaktorin ytimessä fuusio käynnistyy, kun laseria suunnataan pieneen polttoainesäiliöön. PHILIP SALTONSTALL/LLNL FUU

2 EDUARD DEWALD/LLNL 9 mm Reaktori matkii auringon prosesseja Auringon ytimessä vetyatomit sulautuvat yhteen ja muodostavat heliumia. Fuusioreaktorissa hyödynnetään samaa periaatetta: deuterium (vety, jossa on yksi protoni ja yksi neutroni) ja tritium (vety, jossa on yksi protoni ja kaksi neutronia) fuusioituvat, jolloin syntyy yksi heliumatomi, yksi vapaa neutroni ja säteilyä. Deuterium eli raskas vety Helium FUUSIO 1 POLTTOAINE: Fuusioreaktorin polttoaine on merivedestä saatavaa deuteriumia ja litiumista valmistettua tritiumia. Tritium eli superraskas vety Vapaa neutroni TULOS: Fuusiossa vapautuu energiaa, joka voidaan muuttaa sähköksi. Jätteenä syntyy heliumatomi ja yksi vapaa neutroni. PROSESSI: Erittäin korkeassa paineessa ja lämpötilassa pienessä säiliössä nämä kaksi atomia pakotetaan yhdistymään fuusiossa. Print: lku Status: Sprog godkendt Layout:MV Red.sek:ER Yksi fyysikkojen unelmista on Auringon prosessien matkiminen, sillä vety atomien fuusio voi tuottaa loputtomasti puhdasta ja turvallista energiaa. USA:ssa on saatu fuusiosta ensimmäistä kertaa enemmän energiaa kuin mitä prosessin käynnistäminen vaati. Ranskaan taas on rakenteilla ITER-fuusioreaktori, maailman ehkä monimutkaisin kone. USIO on askeleen lähempänä Teksti: Rolf Haugaard Nielsen

3 Polttoainepelletti, johon laserin pitää osua, on halkaisijaltaan vain kaksi millimetriä. LLNL voimakkaan 1 laserin säteet kulkevat optisten vahvistimien läpi. Vahvistimet voimistavat säteiden energiamäärää jopa kymmenen miljardia kertaa. Tieteen Kuvalehti. 1/1 laseria ampuu täysillä Kaliforniassa sijaitseva sata metriä pitkä NIF-koereaktori toimii kuin valtava laservahvistin. erittäin voimakasta laseria kohdistetaan pieneen polttoainepellettiin. Lasersädetys puristaa pelletissä olevat vetyatomit tiiviisti yhteen ja kuumentaa niitä niin, että fuusio käynnistyy. Kun vety sulautuu heliumiksi, syntyy voimakasta säteilyä. LLNL Kun säteet ovat kulkeneet vahvistimien läpi 5 kertaa ja kasvattaneet energiaansa, ne suunnataan reaktorikammioon. Sata metriä pitkä Livermoressa Kaliforniassa sijaitseva tehdasrakennus ei vaikuta kovin ihmeelliseltä. Itse asiassa ulospäin mikään ei paljasta sitä, että ovien takana tutkijat ovat saavuttamassa yhtä fysiikan historian merkkipaalua. Napin painalluksella aktivoidaan laitoksen laseria. Lasersäteet johdetaan yhä uudelleen ja uudelleen optisten vahvistimien läpi ja suunnataan sitten pyöreään reaktorikammioon. Jokainen lasersäde osuu pieneen muovikapseliin. Reaktorissa vallitsee 150 miljardin ilmakehän paine ja 50 miljoonan asteen lämpötila. Paine ja kuumuus höyrystävät kapselin, jolloin sen sisällä oleva vety vapautuu. Seuraavaksi tapahtuu se, mitä fyysikot ovat odottaneet: vetyatomit sulautuvat yhteen heliumiksi ja vapauttavat energiaa. Fuusio on onnistunut. Livermoren NIF-reaktorilla (National Ignition Facility) on vastikään saavutettu tärkeä askel tutkimuksessa, jonka tavoitteena on kesyttää Auringossa jylläävät voimat. NIF:ssä on tuotettu pienestä vetypelletistä enemmän energiaa kuin fuusioprosessin aikaansaamiseen tarvittiin. Fuusion onnistumisesta on haaveiltu tiedemaailmassa jo yli 0 vuotta, sillä kesytettynä fuusio on lähes loppumaton energialähde. Polttoaineeksi siihen tarvitaan deuteriumia (raskasta vetyä), jota saadaan merivedestä, ja tritiumia (superraskasta vetyä), jota valmistetaan litiumista. Fuusiopolttoaineesta ei tule pulaa, sillä tunnetut litiumvarat riittävät ainakin seuraavaksi tuhanneksi vuodeksi. Fuusioreaktoriin ei myöskään liity nykyisiin fissioon perustuvien ydinvoimaloiden kaltaisia riskejä, sillä siinä ei ole ytimen sulamisvaaraa. Fuusioreaktori voidaan nimittäin sammuttaa auton moottorin tavoin milloin vain lopettamalla polttoaineen syöttö. Fuusio olisi siis oiva ratkaistu maailman energiaongelmaan, mutta se päivä, jolloin kotitaloudet voivat valita fuusiolla tuotettua sähköä, on vielä kaukana. Palaa kuin märkä kokko Fuusiovoimalassa ei tarvitse pelätä säteilyonnettomuutta eikä räjähdystä, sillä fuusio pyrkii aina sammumaan itses tieku.fi Kammiossa kaikki säteet kohdistuvat nuppineulanpään kokoiseen vetypellettiin. Kovassa paineessa ja kuumuudessa vety fuusioituu. Laser osuu vetypellettiin Seuraa laserin matkaa vahvistimien läpi vetypellettiin. LLNL

4 National Ignition Facility nif Laserien teho on miljardia wattia. Paine vastaa 150:tä miljardia ilmakehää. Lämpötila on 50 miljoonaa astetta. Print: lku Status: Sprog godkendt Layout:MV Red.sek:ER LASERSÄTEITÄ VAHVISTETAAN JOPA 10 MILJARDIA KERTAA PHILIP SALTONSTALL/LLNL

5 Reaktorirenkaan seinät on päällystetty teräksellä ja berylliumilla. Kun reaktori toimii, seiniin osuu neutroneja ja ne muuttuvat radioaktiivisiksi. Reaktori tuottaa itse polttoaineensa Kun reaktorirenkaan ulkopuolella oleva litium nappaa vapaita neutroneja, syntyy tritiumia eli superraskasta vetyä, jota käytetään fuusion polttoaineena. 1. Kun reaktorirenkaasta karannut vapaa neutroni osuu litium-7-atomiin, syntyy heliumia, (johdetaan pois), tritiumia (käytetään reaktorin polttoaineena) ja yksi uusi vapaa neutroni.. Kun uusi vapaa neutroni törmää litium--atomiin, syntyy heliumia (johdetaan pois) ja tritiumia eli superraskasta vetyä (käytetään reaktorin polttoaineena). Reaktorirenkaasta tullut vapaa neutroni Litium-7-atomi Helium Vapaa neutroni Tritium Litium--atomi Koko reaktoria ympäröi 18 voimakasta suprajohtavaa magneettia. Ne pitävät hehkuvan polttoaineen magneettisessa häkissä. Helium Tritium Sisäseinissä on litiumkerros, joka imee fuusioprosessissa syntyviä neutroneja. Tuloksena muodostuu tritiumia eli superraskasta vetyä. Magneetit pitää jäähdyttää 9 asteeseen, jotta ne tulevat suprajohtaviksi. Siksi reaktori rakennetaan valtavan pakastimen sisään. 1 Reaktorirengas on kammio, jossa vallitsee tyhjiö. Fuusion polttoaine pysyy kammiossa voimakkaan magneettikentän avulla. Mikroaaltopommituksella saadaan kammiossa oleva polttoaine hehkumaan. Lämpötila nousee 150 miljoonaan asteeseen.

6 7 Fuusioreaktorista johdetaan pois heliumia ja reaktorikammion sisäseinästä neutronipommituksessa irronneita atomeja. ITER Magneetit pitävät polttoaineen kurissa Parhaillaan Etelä-Ranskaan Cadaracheen rakennetaan ITER-koereaktoria (iter tarkoittaa latinaksi tietä). Siinä voidaan kokeilla, miten fuusioprosessi saadaan pysymään voimakkaassa magneettikentässä. Kun polttoainetta eli vetyatomeja pommitetaan mikro aalloilla, lämpötila nousee asteeseen. Silloin vetyatomit sulautuvat yhteen ja vapauttavat energiaa, jolla lämmitetään reaktorin seinissä kulkevaa nestettä. Etelä-Ranskassa on jo valettu 9 erikoispylvästä, jotka suojaavat ITER-reaktoria maanjäristyksissä. tään. Fuusiossa haasteena on nimenomaan prosessin käynnistäminen ja ylläpitäminen, ja se on yhtä vaikeaa kuin märän juhannuskokon sytyttäminen. Vetypommissa, jossa fuusio saa olla hallitsematon, käytetään sytyttimenä pientä ydinpommia. Menetelmä ei luonnollisestikaan sovellu voimalaan, sillä energiaa pitää tuottaa hallitusti. Siksi tutkijat ovat ottaneet mallia Auringosta, jonka sisässä vetyatomit sulautuvat heliumiksi 15 miljoonan asteen lämmössä ja valtavassa paineessa. Vety sopii polttoaineeksi Maassakin, sillä sitä on tarjolla runsaasti. Koska maapallolla ei vallitse tähden sisäosien kuumuutta ja painetta, fuusio pitää saada jotenkin käyntiin. NIF-reaktorissa vety International Thermonuclear Experimental Reactor iter Magneettijärjestelmä painaa 500 tonnia. Reaktorin lämpötila on 150 miljoonaa astetta. Hinta-arvio on noin 1 miljardia euroa. pellettiä pommitettiin nanosekunnin eli sekunnin miljardisosan aikana kolmella voimakkaalla laserpulssilla. Laserit syöttivät 10 kilojoulea 170 mikrogramman vetypellettiin ja saivat aikaan fuusion, joka tuotti 15 kilojoulea energiaa. Määrä on todella pieni, mutta fuusio siis tuotti 50 prosenttia enemmän energiaa kuin mitä sen käynnistäminen vaati. Kokeessa laserien kuluttamaa sähkömäärää ei lasketa mukaan fuusion käynnistykseen, sillä tavoitteena on, että fuusio jatkuu itsestään sen jälkeen, kun laserit sammutetaan. NIF-reaktori rakennettiin, jotta voitaisiin selvittää, miten tämä sytytykseksi kutsuttu prosessi saadaan käyntiin eli miten vetyatomien fuusiossa syntyvät heliumatomin ytimet saadaan lämmittämään polttoainetta edelleen niin, että fuusioreaktio jatkuu. Tuoreessa kokeessa NIF-reaktorissa nähtiin jo merkkejä siitä, miten fuusio tuottaa enemmän energiaa kuin mitä sen yllä pitoon tarvittava laitteisto syö. Maailman suurin fuusioreaktori NIF-reaktorin lupaavista tuloksista huolimatta ei ole varmaa, että tulevaisuuden fuusioreaktorissa sytytys tapahtuu lasereilla. Ranskaan nimittäin rakennetaan parhaillaan reaktoria, jossa fuusio saadaan aikaan magneettikentällä. Etelä-Ranskaan nousevassa ITERreaktorissa (International Thermonuclear Experimental Reactor) jopa 150 miljoonaan asteeseen kuumennettu polttoaine leijuu voimakkaassa magneettikentässä. Tekniikkaa on kehitetty jo kymmeniä vuosia muun muassa eurooppalaisessa JET-laitoksessa (Joint European Torus) Britanniassa. Siellä fuusion käynnistäminen on vaatinut megawattia ja tuotettu energiamäärä on ollut 1 megawattia. ITER-reaktorin ensimmäiset kokeet on määrä tehdä 8. Silloin koereaktorin toivotaan jatkavan syttymistä kuudesta kahdeksaan minuuttiin. Seuraavassa vaiheessa ITERin uskotaan voivan pitää Print: lku Status: Sprog godkendt Layout:MV Red.sek:ER ITER-hankkeessa on mukana 5 maata. Reaktorin pitäisi olla valmis vuonna. ITER KILOSTA VETYÄ YHTÄ PALJON ENERGIAA KUIN HIILITONNISTA 1/1. Tieteen Kuvalehti

7 Z-KONEESSA VOI OLLA ASTEEN LÄMPÖTILA syttyneen polttoaineen magneettihäkissä tunnin ajan, jolloin fuusiolla voitaisiin tuottaa 0 kertaa niin paljon energiaa kuin sen käynnistäminen vaatii. ITERistä tulee suurin ja monimutkaisin ihmisen koskaan rakentama kone. Betoniperustusten päälle on valettu 9 pylvästä, joissa on iskunvaimentimet. Ne suojaavat laitosta maanjäristyksen varalta. 0 metriä korkea rakennelma painaa tonnia eli melkein yhtä paljon kuin Empire State Building. Reaktori pannaan pakkaseen ITERin reaktiokammio on kuin valtava autonrengas, jonka ympärillä on magneetteja. Kookkaimmat magneetit ovat 5 metriä korkeita ja 00 tonnin painoisia. Ne ovat suprajohtavia, joten virta kulkee niiden läpi ilman vastusta. Tämä minimoi laitoksen virrankulutuksen ja luo voimakkaan ja vakaan magneettikentän, joka pitää polttoaineen paikoillaan. Suprajohtavuuden aikaansaamiseksi magneetit pitää kuitenkin jäähdyttää nestemäisellä heliumilla 9 asteeseen. Siksi koko reaktori rakennetaan supertehokkaan pakastimen sisään. Reaktorissa fuusion polttoaine, joka kuumennetaan 150 miljoonaan asteeseen, ja magneetit, jotka ovat maapallon kylmimpiä esineitä, sijaitsevat siis ainoastaan muutaman metrin päässä toisistaan. Vapaasti leijuva hehkuva polttoaine pysyy magneettihäkin sisässä siksi, että se on plasman muodossa. Siinä positiivisesti varautuneet vety-ytimet ovat erillään negatiivisesti varautuneista elektroneista. Plasmalla on siis sähkövaraus, joka pitää sen magneettikentän sisässä. Hehkuvan kuuma lämpötila saadaan aikaan pumppaamalla mikroaaltoja reaktorikammioon. Kun vetyatomit fuusioituvat heliumiksi, syntyy energiaa. Fuusiolla tuotettu energia lämmittää reaktorin seinien putkistossa kulkevaa nestettä. Lämmönvaihdin johtaa lämmön veteen, joka puolestaan toimii turbiinin käyttövoimana samaan tapaan kuin nykyisin käytössä olevissa hiili- tai ydinvoimaloissa. ITER ei vielä tuota sähköä kuluttajille, vaan sillä kerätään kokemuksia DEMOvoimalahanketta varten. Suunnitelmien mukaan DEMO jauhaa sähköä vuonna 50. Tuolloin maailman energiankulutuksen arvoidaan olevan noin kaksinkertainen nykyiseen verrattuna. Siksi uusia saastuttamattomia energialähteitä tarvitaan kipeästi. Fuusiovoimalat voivat olla tärkeä osa ongelman ratkaisua. Fuusio peittoaa hiileen ja fissioon perustuvat voimalat Nykyisiin energiantuotantotapoihin verrattuna fuusiovoimaloilla on monta etua. TURVALLISUUS RADIOAKTIIVINEN JÄTE TYÖOLOT SAASTEET POLTTOAINE HIILI FISSIO FUUSIO Suuri riski, onnettomuuden vaikutukset paikallisia. Radioaktiivista lentotuhkaa kerätään voimalaitoksissa. Kaivoksissa vaarallista, voimaloissa turvallista. Suuria määriä kasvihuonekaasupäästöjä Tunnetut hiilivarannot riittävät 150 vuodeksi. Suuri riski, onnettomuudesta voi tulla laaja katastrofi. Käytetyt polttoainesauvat ovat radioaktiivista jätettä. Työntekijät altistuvat pienelle säteilymäärälle. Ei päästöjä Ei päästöjä Uraanivarat riittävät sadoiksi vuosiksi. Matala riski. Prosessi voidaan keskeyttää milloin vain. Rakennusjäte voi olla radioaktiivista 100 vuoden ajan. Työntekijät altistuvat pienelle säteilymäärälle. Vetyä riittää miljooniksi, litiumia tuhansiksi vuosiksi. TUOTANNON HINTA Matala Matala Vielä epävarmaa

8 Sandia Labs University of Texas Helion energy muut Vetyatomeja sulautetaan sähkövoimalla. Reaktori polttaa ydinjätettä. Vetypalloja törmäytetään yhteen. SANDIA LABS Z-kone on maailman tehokkain röntgensädegeneraattori. Sen reaktorikammion halkaisija on metriä. Ydinfyysikot testaavat muita mahdollisuuksia Teoriassa fuusio on yksinkertainen prosessi, mutta sen toteuttaminen hallitusti on vaikeaa. Siksi kaikkia menetelmiä testataan. Sandian kansallisen laboratorion Z-kone sulattaa vetyatomeja yhteen sähkövoimalla. Texasin yliopistossa tutkitaan, voidaanko ydinjätettä käyttää polttoaineena fuusioreaktiossa, ja Helion Energy -yritys törmäyttää kiihdyttimessä erittäin kovalla nopeudella kulkevia vetyatomeja. Print: lku Status: Sprog godkendt Layout:MV Red.sek:ER Z-koneen energialataus on niin voimakas, että se synnyttää salamoita reaktorikammiota ympäröivissä metalliosissa. SANDIA NATIONAL LAB