Lämpöydinfuusio - ei skandaalinkäryisiä yrityskauppoja vaan kärytöntä energiaa T. Kurki-Suonio Teknillinen fysiikka Aalto-yliopisto 1
Ilmastonmuutos pähkinänkuoressa Kaikki elämä maapallolla perustuu siihen, että meillä on aina ollut kasvihuoneilmiö. Kasvihuoneilmiön voimistuminen voi kuitenkin johtaa niin suureen ilmastonmuutokseen, että jossain vaiheessa taloudelliset kysymykset voivat alkaa kuulostaa naurettavilta. 2
May 9, 2013: Ilmakehän CO 2 pitoisuus ylitti 400 ppm WMO: vuonna 2015 tuo raja ylittyi pysyvästi, ei vain hetkellisesti ja jossain. Tällaisia CO 2 tasoja on toki ollut ennenkin: 3 5 miljoonaa vuotta sitten, jolloin napajäätiköt loistivat poissaolollaan ja merenpinta oli 40m korkeammalla 3
«Nykyisten kasvi- ja eläinlajien (mukaan luettuna ihminen) säilymisen kannalta meidän on siis VÄLTTÄMÄTÖNTÄ löytää hiilivapaita energiantuotantomuotoja SUURESSA MITTAKAAVASSA «Yksi varteenotettava kandidaatti on FUUSIO-energia 4
Käytämme fuusioenergiaa jo tänään! Fuusio on auringon ja tähtien energialähde Käytännössä kaikki ihmisen käyttämä energia on peräisin auringon fuusioreaktioista mutta valitettavasti lähinnä fossiilisten polttoaineiden muodossa 4 Protonia Helium + Energiaa (Fuusio tuottaa energian lisäksi vetyä raskaampia alkuaineita Heliumista rautaan) 5
Entäs jos käytämme suoraan aurinkoenergiaa?? Minkä tehoisesta myllystä on kyse? «Kemiallinen reaktio (fossiiliset & bio): vapautuva energia ~ 0,004 kwh/g «Fuusioreaktio: vapautuva energia ~ 100 000 kwh/g Auringon säteilyteho on VA-A-ALTAVA: 3,8*10 26 W (ei kannata edes yrittää verrata mihinkään) «Mutta maa on kaukana ja aurinko säteilee taivaan tuuliin Ł1/r 2 Ł vain 1,8*10 17 W, josta pilvet heijastavat 40% Ł maan pinnalle tulee noin 10 17 W 6
Onko 10 17 W paljon vai vähän? Maailman energiankulutus vastaa keskitehoa 10 13 W ŁMaan pinnalle saapuvan aurinkosäteilyn teho on oikeasti paljon, noin 10 000 x (ihmiskunnan tarvitsema teho)!! Ł Miksi edes vaivautua miettimään muita energialähteitä? 7
Auringon säteilystä sähköksi: Fysikaaliset rajoitukset Auringon säteilyn keskimääräinen intensiteetti n. 1kW/m 2 Mutta... Maa ei ole litteä pannukakku vaan pallo Vain päiväntasaajan alue saa säteilyn suoraan Vain päiväntasaajan alueella säteilytehon vaihtelut vuorokausitasolla, teollistuneilla alueilla vuositasolla. Aurinkoenergian tapauksessa tarve ja tuotto eivät kohtaa https://www.helen.fi/aurinkovoimalat/suvilahti/ MacKay, Sustainable Energy without The Hot Air tuottoa on vähiten kun tehoa tarvitaan enitenl 8
Nimellinen teho vs todellisuus FRAUNHOFER INSTITUTE FOR SOLAR ENERGY SYSTEMS ISE Electricity production from solar and wind in Germany in 2014 9
Nimellinen teho vs todellisuus FRAUNHOFER INSTITUTE FOR SOLAR ENERGY SYSTEMS ISE Electricity production from solar and wind in Germany in 2014 Nimellinen teho (GW) Tuotettu energia (TWh) 10
Mutta jotain pitäis tehdä, että hiilestä oikeasti päästäisiin «Valitun tuotantomuodon pitää pystyä vastaamaan energian tarpeeseen yhteiskunnallisella tasolla «Suomen vuotuinen sähkönkulutus: 80 TWh «Minkä kokoisia myllyjä tarvitaan tuon sähkömäärän tuottamiseen? 80 TWh = 80 000 GWh Vuodessa on 8760 tuntia tarvittu keskimääräinen teho: 9 GW «Modernin voimalaitoksen teho ~ GW = 1000 MW Vertaillaan GW:n kokoisia yksikköjä 11
1000 MWe:n voimalan vuotuinen polttoainetarve Hiilivoimala 2 400 000 tonnia hiiltä (35 000 junavaunullista) 12
1000 MWe:n voimalan vuotuinen polttoainetarve Hiilivoimala 2 400 000 tonnia hiiltä (35 000 junavaunullista) Biovoimala 15 000 000 m 3 puutavaraa 10m x 1m x 1500km 13
1000 MWe:n voimalan vuotuinen polttoainetarve Hiilivoimala 2 400 000 tonnia hiiltä (35 000 junavaunullista) Biovoimala 15 000 000 m 3 puutavaraa 10m x 1m x 1500km 14
1000 MWe:n voimalan vuotuinen polttoainetarve Hiilivoimala 2 400 000 tonnia hiiltä (35 000 junavaunullista) Biovoimala 15 000 000 m 3 puutavaraa 10m x 1m x 1500km Ydinvoimala: 30 tonnia rikastettua uraania (kaksi rekkalastia) 15
1000 MWe:n voimalan vuotuinen polttoainetarve Hiilivoimala 2 400 000 tonnia hiiltä (35 000 junavaunullista) Biovoimala 15 000 000 m 3 puutavaraa 10m x 1m x 1500km Ydinvoimala: 30 tonnia rikastettua uraania (kaksi rekkalastia) 16
Entäs polttoaineettomat ratkaisut? 80 km 2 aurinkopaneeleja 300 km 2 tuulimyllyjä + säätö- ja varavoima pahoille päiville... 17
Fuusiota siis todella tarvittaisiin! «Mutta mitä heikkouksia fuusiossa on? «Niin, sehän perustuu ydinreaktioon eikös ydinvoima ole vaarallista? 18
Kaikki energiantuotantomuodot ovat hengenvaarallisia riskejä pitää verrata toisiinsa! Onnettomuuskuolemia per TWh: Hiilet 161 Öljy 36 Maakaasu 4 Bio-polttoaineet 12 Turve 12 Aurinko (rooftop) 0.44 Tuuli 0.15 Vesivoima 1.4 Ydinvoima 0.04 (Muist. Suomen sähkönkulutus 80TWh/vuosi) Tilastot koottu WHO:n ja eurooppalaisen Extrenen julkaisuista Lisäksi epäsuorat kuolemat: Vuosittain 3.1 miljoonaa ihmistä kuolee energiantuoton aiheuttamiin ilmansaasteisiin 19
Energiantuotantomuotojen terveellisyys Markandya & Wilkinson, Electricity generation and health, The Lancet 370 (2007) 979-990 CO 2 -päästöt korreloivat siis paitsi ilmastonmuutoksen myös terveysvaikutusten kanssa! Ł tällä hetkellä kriittisin toimenpide GHG-päästöjen radikaali pienentäminen! 20
Fuusio fissiota (vielä) viattomampaa «Ydinreaktoriin ladataan kerrallaan esim. vuoden uraanit «Fuusioreaktori toimii kuten polttomoottori: polttoainetta pitää ruiskuttaa jatkuvasti sisään, jotta fuusiopalo pysyisi yllä Fuusiossa ei siis ole jälkilämpöä, joka onnettomuustilanteessa muodostaa turvallisuusriskin «Eikä ole loppusijoitusongelmaakaan: polttoainetuhka on heliumia, ei korkeaaktiivista mömmöä 21
Fuusio on erilaista ydinvoimaa «Raskaan vedyn (D & T) fuusio helpoin toteuttaa «Coulombin valli T = 100 000 000 C «DT-polttoaine on plasmaa ko. lämpötilassa (aineen 4. olomuoto) «Lämpöeristys voimakkailla magneettikentillä Nettoenergian (Q >> 1) tuotto vaatii «Riittävän tiheyden n «Riittävän lämpötilan T «Riittävän koossapitoajan nt > kriittinen arvo D + T 4 He + n + 100 000 kwh/g 22
Fuusion edut ja haitat? Edut: «turvallisuus ja ympäristöystävällisyys «ei kasvihuonekaasupäästöjä «ei korkea-aktiivisia radioaktiivisia jätteitä «ei pommimateriaaleja «käytännössä rajoittamattomat energiavarannot: Deuterium and Litium (fi Tritium: n + Li He + T) Haitat: «Monimutkainen teknologia ei toimi vielä «Energian hinta? «Ei vapaa radioaktiivisuudesta 23
Miten mini-aurinko tehdään?
Laserfuusio «Kolmituloa nt optimoidessa viitataan kinttaalla koossapidolle «Ensimmäinen demonstraatio 1952: Teller-Ulam vetypommi L «Räjäyttämiseen tarvittiin atomipommi «1900-luvun lopusta lähtien on tutkittu, voitaisiinko energiaa tuottaa mikroskooppisilla vetypommeilla esim. lasereilla puristamalla Ivy Mike vetypommi 1952 LLNL Kaliforniassa puristaa lasereilla pikkuruisen DTpelletin 150 000 000 000 ilmakehän paineeseen (atm) 25
Magneettinen fuusio kohtuus kunniaan! Sähköisesti varatut hiukkaset seuraavat magneettisia voimaviivoja suljetaan polttoaine magneettiseen pulloon! Mutta hidut vapaita karkaamaan päädyistä eliminoidaan päädyt tekemällä pullosta munkkirinkilä! Kohtuulliset tavoitteet: Lämpötila vain 100 000 000 C Paine vain 10 atm Magneettikenttä 5T (~ lääketieteen MRI) Q = 10 26
Kaksi toteutustapaa magneettiselle koossapidolle (Aksisymmetrinen) tokamak Osa kentästä muuntajaperiaatteella (Aito 3D) stellaraattori Koko kenttä luodaan keloilla Perus-tokamak: «Hyvä koossapito!j «Pulssi-koneL «Plasmavirta ruokkii epästabiilisuuksial Perus-stellaraattori: «Vuotaa kuin seula (3D)L «Jatkuvatoiminen! J «Stabiili!J
Kaksi toteutustapaa magneettiselle koossapidolle ITER-tokamak Cadarache, Ranska Wendelstein 7-X stellaraattori Max Planck instituutti, Saksa Maailmanlaajuinen yhteisprojekti «500 MW:n fuusiotuotto, Q = 10? «Materiaalit fuusio-olosuhteissa «Teknologian testaus & kehitys Tietokone-optimoitu stellaraattori: «Koossapito tokamakien tasolle? «Ensimmäinen koekampanja 2016 ylitti kaikki odotuksetj
Laboratoriofuusio toimii jo! Fuusioenergian tieteellinen toteutettavuus on osoitettu jo viime vuosituhannella (1990-luku) lukuisissa laboratoriokokeissa, jotka perustuvat magneettiseen koossapitoon: DT-kokeet JET-tokamakilla 1997 tuottivat 16 MW fuusiotehoa Itse asiassa fuusiotuotto toimii niin hyvin, että tutkimuslaitteissa täytyy käyttää polttoaineen kevyt-versiota (puhdas D). 29
... Tai no: toimii, ei toimi, toimii, ei toimi,... Tokamak oli harppaus fuusiotutkimuksessa Ennuste: joka kotiin tokamak 5ssä vuodessa!... Mutta Ohminen kuumennus ei riittänyt Ulkoinen kuumennus 10 000 000 C, yes! Mutta Kun T nousi, niin koossapito laski Ojasta allikkoon Kunnes 1982 ASDEX-tokamakilla Saksassa L-H transitio! Riittävä koossapito, yes! Mutta Plasma alkoi röyhtäillä: hurjia hetkellisiä hiukkas- ja tehopurskeita materiaalipinnoille 30
Fuusion historia numeroina palaminen Lämpötila (miljoonia K) 31
Fuusion edistyminen yhtä hidasta kuin tietokoneiden 32
Mutta miksi edistys näyttää loppuvan vuoteen 2005? 1970-luvulla öljykriisi hurja panostus fuusiotutkimukseen ympäri maailmaa tokamakeja nousi kuin sieniä sateella 80-luvulla 90 s - 2005 testattiin tokamakien suorituskykyä ja saavutettiin ennätyksiä 2005 nyt on ollut perustutkimuksen aikaa, valmistautumista reaktorivaiheeseen TFTR, Princeton, USA 33
Laitteistokanta alkaa olla varsin iäkästä nyt on taas rakentamisen aika! W7-X, Greifswald, Saksa Aloitti operoinnin 2016 JT-60SA, Japani Aloittaa operoinnin 2019 ITER, Cadarache, Ranska Aloittaa operoinnin 2025 34
W7-X (kalvot: Max Planck instituutti)
The Magnets 20 planar and 50 non-planar superconducting coils -270 C 36
One module 37
During Assembly non-planar SC coils SC bus bars He pipes plasma vessel central support ring thermal insulation outer vessel machine basis planar SC coils 38
Last module complete 39
Machine ready 40
ITER nousee maasta tai sen alta!
ITERin rakennustyömaa 2011 42
ITERin rakennustyömaa 12/2012 43
ITERin rakennustyömaa 2/2015 Iter.org 44
ITERin rakennustyömaa 2/2016 Iter.org 45
ITERin rakennustyömaa 6/2016 46
Saadaanko fuusioenergiaa töpseliin asti? Selvitettäviä asioita: 1. Palavan plasman dynamiikka (ITER): plasmafysiikka 2. Jatkuvatoimisuus (W7-X & Co): plasmafysiikka + insinöörioppi 3. Plasma-seinämä-vuorovaikutusten hallinta (kaikki kynnelle kykenevät): plasmafysiikka + atomi- ja molekyylifysiikka + materiaalifysiikka + insinöörioppi 47
Kotitehtävä kaikille Seuratkaa vuoden ajan seuraavia linkkejä, niin tarve fuusiolle ehkä kirkastuu. Huom! 1 MW = 1000 kw «Helsingin hetkellinen sähkönkulutus: www.helen.fi/kotitalouksille «Suomen sähköntuonti: www.fingrid.fi/fi/sahkomarkkinat/voimajarjestelman-tila/sivut/default.aspx «Suomen suurin aurinkovoimala Suvilahdessa: https://www.helen.fi/aurinkovoimalat/suvilahti/ «Tuulivoimala: omistajayhtiö Lumituuli www.lumituuli.fi/tilasto.html 48
Kiitos kiinnostuksestanne! 49
50
Mikä perinteisessä ydinvoimassa on vaarallista? Jälkilämpö. Ydinreaktoriin ladataan kerrallaan esim vuoden uraanit, jota poltellaan hissukseen. Käytetty polttoaine on vaarallisempaa kuin tuore: radioaktiivista tuottaa lämpöä jatkuva jäähdytys tarpeen tai muuten tuloksena voi olla kaasu- tai vetyräjähdys radioaktiivinen mömmö voi levitä ympäristöön. 51