FUUSIOTUTKIMUS Tavoitteena tulevaisuuden energia giavaihtoehtoaihtoehto Euroopalle YLEINEN TIEDOTE EURATOM
Oletko kiinnostunut eurooppalaisesta tutkimuksesta? RTD info on neljä kertaa vuodessa ilmestyvä lehti, joka pitää sinut ajan tasalla tärkeimmistä tutkimusasioista (tulokset, ohjelmat, tapahtumat jne.) Se on saatavana englanniksi, ranskaksi ja saksaksi. Ilmaisen näytenume-ron voi tilata osoitteesta: European Commission Directorate-General for Research Information and Communication Unit B-1049 Brussels Fax (32-2) 29-58220 E-mail: research@cec.eu.int Internet: http://europa.eu.int/comm/research/rtdinfo/index_en.html EUROPEAN COMMISSION Directorate-General for Research Fusion energy research Unit J6 Fusion Association Agreements Contact: Hugues Desmedt European Commission Office CDMA 00/66 B-1049 Brussels Tel. (32-2) 29-98987 Fax (32-2) 29-64252 E-mail: hugues.desmedt@cec.eu.int
EUROOPAN KOMISSIO FUUSIOTUTKIMUS Tavoitteena tulevaisuuden energia giavaihtoehtoaihtoehto Euroopalle 2005 Tutkimuspääosasto Fuusioenergiatutkimus
Europe Direct -palvelu auttaa sinua löytämään vastaukset EU:hun liittyviin kysymyksiisi Uusi yhteinen maksuton palvelunumero: 00 800 6 7 8 9 10 11 Euroopan komissio ja komissiota edustavat henkilöt eivät vastaa tämän esitteen sisällön mahdollisesta käytöstä. Tässä esitteessä esitetyt näkemykset ovat puhtaasti kirjoittajien vastuulla eivätkä välttämättä vastaa Euroopan komission kantaa. Runsaasti lisätietoa Euroopan Unionista on saatavissa internetissä Europpa-palvelimelta (http://europa.eu.int). Luettelotiedot löytyvät tämän julkaisun lopusta. Luxemburg: Euroopan yhteisöjen virallisten julkaisujen toimisto, 2004 ISBN 92-894-7719-9 Euroopan yhteisöt, 2005 Tekstin jäljentäminen on sallittua, kunhan lähde mainitaan. Printed in Belgium 6 PAINETTU KLOORIVALKAISEMATTOMALLE PAPERILLE
SISÄLTÖ JOHDANTO FUUSIOON Eurooppa tarvitsee luotettavia ja kestäviä energiamuotoja 9 Tähtien energialähde 10 Fuusioenergian tuotanto 11 Turvallisuus 12 Ympäristövaikutukset 13 Fuusiotutkimuksen edistysaskeleita 14 EUROOPAN FUUSIOTUTKIMUSOHJELMA ITER ja eurooppalainen fuusiostrategia 16 Eurooppalainen tutkimusalue fuusio 18 KUINKA FUUSIO TOIMII? Magneettiseen koossapitoon perustuva fuusio 20 Tokamakin pääkomponentit 22 Plasman kuumentaminen 24 Plasmadiagnostiikat ja mallinnus 25 ITER tie fuusioenergiaan 26 Pitkän tähtäimen teknologiatutkimus 28 Tiedotustoiminta Euroopassa 30 EIROforum 32 Opetus- ja koulutustoiminta Euroopassa 33 Fuusiotutkimuksen oheistuotteet muilla huipputeknologian aloilla 34 Viitteet 35 Tähdentekijät 38 DVD 39 7
8
Eurooppa tarvitsee luotettavia ja kestäviä energiam giamuotoja Euroopan unionin (EU) talous riippuu riittävästä ja vakaasta energiantuotannosta. Toistaiseksi energian tarve on tyydytetty pääasiassa fossiilisilla polttoaineilla (öljy, kivihiili ja maakaasu), joiden osuus energian kokonaiskulutuksesta on 80%. Lähes 67% fossiilista polttoaineista on tuonnin varassa. Kaiken kaikkiaan noin 50% EU:n energiatarpeesta tyydytetään muualta tuoduilla fossiilisilla poltto-aineilla, ja tuonnin odotetaan kasvavan ennen kaikkea öljyn osalta 70%:iin vuoteen 2030 mennessä. Tämänhetkisen elintasomme ylläpitäminen vaatii kestäviä ja luotettavia energialähteitä. Euroopassa kehitetään ympäristömyönteisiä, turvallisia ja kestäviä energiantuotantomuotoja. Fuusio on yksi näistä. Pitkällä tähtäimellä fuusio on erinomainen vaihtoehto suuren mittakaavan energiantuotantoon. Sen ympäristövaikutukset ovat vähäiset, se on turvallista ja valtavat polttoainevarat ovat jakaantuneet maapallolla tasaisesti. Fuusiovoimalat tulevat soveltumaan erityisen hyvin peruskuormatuotantoon, jota tarvitaan suurissa asutuskeskuksissa sekä teollisuusalueilla. Niillä voidaan myös tuottaa vetytalouden perustaksi tarvittavaa vetyä. Tämä kirjanen esittelee eurooppalaisten tutkijoiden työtä, jonka päämääränä on valjastaa fuusioenergia ihmiskunnan käyttöön. 9
Tähtien energianlähde Fuusio on auringon ja muiden tähtien energianlähde. Kevyet atomiytimet yhdistyvät raskaammiksi ja samalla vapautuu energiaa. Auringon keskustassa vallitseva valtava paine ja noin 10 miljoonan asteen lämpötila tekevät fuusioreaktiot mahdollisiksi. Korkeassa lämpötilassa kaasusta tulee plasmaa, jossa elektronit ovat täysin irtaantuneet atomiytimistä (ioneista). Plasma on aineen neljäs olomuoto omine erityispiirteineen, jota tutkiva tieteenala on plasmafysiikka. Vaikka plasma on maapallolla harvinainen olomuoto, yli 99% maailmankaikkeuden tunnetusta materiasta on plasmatilassa. Maan päällä ei ylletä auringon sisäosien paineeseen, ja lämpötila onkin nostettava yli 100 miljoonaan asteeseen, jotta fuusioenergiaa voi vapautua merkittäviä määriä. Näin korkeiden lämpötilojen saavuttaminen edellyttää tehokasta plasman kuumennusta ja lämpöhäviöiden minimoimista eristämällä plasma-astian seinämistä. Tämä voidaan tehdä vangitsemalla plasma voimakkaista magneettikentistä muodostuvaan toroidaaliseen häkkiin, joka estää sähköisesti varattuja plasmahiukkasia pakenemasta. Magneettinen koossapito on pisimmälle kehittynyt fuusioteknologia, johon Euroopan fuusiotutkimusohjelmassa on keskitytty. 10
Fuusioenergian tuotanto Fuusioreaktio D+T 4 He+n+17,6 MeV Ensimmäisen polven fuusioreaktorien kehitystyö perustuu kahden vedyn isotoopin, deuteriumin (D) ja tritiumin (T) väliseen reaktioon. Muut reaktiot vaativat korkeamman lämpötilan. Deuterium on luonnossa esiintyvä ei-radioaktiivinen isotooppi, jota saadaan vedestä keskimäärin 35 g kuutiometriä kohden. Tritiumia ei esiinny luonnossa, joten sitä tuotetaan fuusioreaktorin sisällä litiumista, joka on kevyt, maankuoressa runsaana esiintyvä metalli. Jokainen fuusioreaktio tuottaa alfa-hiukkasen (heliumin) ja suurienergisen neutronin. Plasma Vaippa (sisältää litiumia) Suojarakenne Lämmönvaihdi n D+T Suprajohtava magneetti Tyhjiökammi o T+ 4 He Deuteriumpolttoaine Tritium Tritium ja helium Helium Neutronit karkaavat plasmasta ja hidastuvat plasmaa ympäröivässä vaipassa. Siellä litiumia muuntuu tritiumiksi, joka kierrätetään takaisin plasmakammioon polttoaineena. Neutronien vapauttamalla lämmöllä voidaan tuottaa höyryä, joka pyörittää turbiineja sähkön tuottamista varten. Vain pieni kuorma-autolastillinen polttoainetta riittää tuottamaan sähköä vuodeksi noin miljoonan asukkaan kaupungille. Sähköteho Höyrystin Turbiini ja generaattori Fuusioreaktio 11
Turvallisuus Fuusioreaktori on kuin kaasupoltin, jossa sisään syötetty polttoaine palaa. Reaktorin sisällä kerrallaan olevan polttoaineen määrä on hyvin pieni (suunnilleen 1 gramma DT-polttoainetta / 1000 m3), ja jos polttoaineen syöttö jostakin syystä keskeytyy, fuusiopalo jatkuu vain muutaman sekunnin ajan. Mikä tahansa häiriötilanne reaktorissa aiheuttaa plasman nopean jäähtymisen ja fuusiopalon sammumisen. Fuusion peruspolttoaineet, deuterium ja litium, sekä reaktiotuotteena syntyvä helium eivät ole radioaktiivisia. Litiumista syntyvä välituote, tritium, hajoaa suhteellisen nopeasti (sen puoliintumisaika on 12.6 vuotta), ja hajoamisessa syntyvällä elektronilla on hyvin pieni energia. Ilmassa tämä elektroni voi kulkea vain muutaman millimetrin, eikä se läpäise edes paperiarkkia. Tritium on kuitenkin haitallista, jos sitä pääsee elimistöön. Siksi fuusioreaktoriin on suunniteltu omat järjestelmät tritiumin turvallista käsittelyä varten. Tritiumin käsittelylaitteisto Fuusiovoimalaitokseen ei tarvitse kuljettaa säännöllisesti radioaktiivista polttoainetta, koska fuusioreaktiossa tarvittava tritium tuotetaan paikan päällä reaktorissa. 12
Ympäristövaikutukset Fuusioreaktioista vapautuva energia käytetään sähkön tuottamiseen, teollisuuden prosessilämmöksi tai mahdollisesti vedyn tuottamiseen. Fuusiovoimala tulee tarvitsemaan hyvin vähän polttoainetta. Fuusiolaitos, jonka sähköteho on 1 GW, tarvitsee vuodessa noin 100 kg deuteriumia ja kolme tonnia luonnon litiumia tuottaen noin 7 miljardia kwh. Kivihiilellä toimiva voimala ilman hiilidioksidin talteenottoa tarvitsee noin 1.5 miljoonaa tonnia polttoainetta tuottaakseen saman määrän energiaa! Fuusioreaktorit eivät tuota kasvihuonekaasuja tai muita päästöjä, jotka voisivat vahingoittaa ympäristöä tai aiheuttaa ilmastonmuutoksia. Fuusioreaktiossa syntyvät neutronit aktivoivat plasman ympärillä olevia materiaaleja. Reaktorin sisäosien materiaalien huolellinen valinta mahdollistaa sen, että noin sadan vuoden kuluttua voimalan lakkauttami-sesta niitä ei enää tarvitse valvoa ja ne voidaan myös mahdollisesti kierrättää. Näistä syistä fuusiovoimaloiden jäte ei ole taakka tuleville sukupolville. Eurooppalainen JET-tokamak (Culham, UK) 13
Fuusiotutkimuksen uksen edistysaskeleita eleita Culhamissa Englannissa sijaitseva eurooppalainen JET-tokamak (Joint European Torus) on maailman suurin fuusiolaite ja voi tällä hetkellä ainoana maailmassa käsitellä DT -polttoaineseosta. JET on saavuttanut kaikki alkuperäiset tavoitteensa ja on joissain tapauksissa ylittänytkin ne. Fuusiotehon maailmanennätys 16 MW saavutettiin sillä vuonna 1997. Fuusioteho (MW) Aika (s) Saavutetut fuusiotehot Euroopassa on lukuisia tärkeitä koelaitteita, joilla luodaan fuusiotutkimuksen etenemiseen vaadittavaa perustietoa. Ranskalaisella Tore Supra -tokamakilla, jolla tutkitaan fuusiolaitteiden jatkuvatoimisuutta, on saavutettu yksi lähivuosien merkittävistä tuloksista: vuonna 2003 sillä tehtiin ennätyspitkä suuritehoinen purkaus, kuusi ja puoli minuuttia. Plasman ylläpitoon syötettiin tänä aikana yli yksi gigajoule energiaa, joka myös piti poistaa lämpönä (1000 miljoonaa joulea riittävästi kiehuttamaan kolme tonnia vettä). Tore Supralla (Cadarache, Ranska) voidaan tehdä pitkiä (jatkuvatoimisia) plasmapurkauksia. 14
Fuusiolaitteiden suorituskykyä mitataan fuusiovahvistuksella Q, joka on tuotetun fuusiotehon suhde plasman kuumennukseen käytettyyn tehoon. Fuusioplasmassa syttyy itseään ylläpitävään palo (Q = ), kun fuusioreaktioiden aikaansaama kuumennusenergia kompensoi plasman energiahäviöt. Tällöin ulkoista kuumennusta ei enää tarvita ylläpitämään korkeaa fuusiolämpötilaa. Plasman palo jatkuu kuten tuli nuotiossa, niin kauan kuin se saa uutta polttoainetta. Tulevaisuuden fuusioreaktorien ei tarvitse yltää palo-olosuhteisiin, vaan ne voidaan suunnitella tehovahvistimiksi. JET on tuottanut 16 MW fuusiotehoa Q-arvolla 0.65. Seuraava kone, ITER, pyrkii Q- arvoon 10 ja tulevaisuuden fuusioreaktoreilla Q voi ehkä yltää arvoon 40 tai 50. Maailmanlaajuisen fuusiotutkimuksen edistyminen Reaktoriolosuhteet Koska useimmat nykyiset fuusiolaitteet eivät vielä käytä tritiumia polttoaineena, niiden suorituskykyä mitataan sillä, kuinka lähelle niiden plasmaparametrit pääsevät fuusiolle välttämättömiä olosuhteita. Kuvassa on esitetty suurelle joukolle maailman tokamakeja mitattuja Q-arvoja plasman lämpötilan funktiona. Suorituskykyisimmillä laitteilla saavutetut plasmaparametrit ovat lähellä reaktorin vaatimia arvoja. Saavuttamaton alue Jarrutussäteilyraja TFTR Syttyminen DT-kokeet Time (s) 15
ITER ja eurooppalainen fuusiostrate tegia Euroopan unionin jäsenmaissa (sekä Sveitsissä, Bulgariassa ja Romaniassa) tehtävän fuusiotutkimuksen pitkän tähtäimen tavoitteena on kehittää yhteis-työnä fuusiovoimala, joka täyttää yhteiskunnan vaatimukset käyttöturvallisuudessa, ympäristöystävällisyydessä ja taloudellisuudessa." Tämän pitkän tähtäimen tavoitteen saavuttaminen edellyttää ITER-fuusiokoereaktorin rakentamista kansainvälisenä yhteistyönä. ITERin tehtävänä on osoittaa rauhanomaisen fuusioenergian teknistieteellinen toteutettavuus. Tämä tavoite saavutetaan demonstroimalla ITERillä deuterium-tritiumplasman hallittu fuusiopalo sekä fuusioreaktorin kannalta olennaiset teknologiat yhtenäisessä kokonaisuudessa. Pitkän aikavälin tavoitteena on jatkuvatoimisuus. ITERin jälkeen rakennetaan demontstraatiovoimala (DEMO), joka tuottaa merkittävästi sähkötehoa ja on tritiumin suhteen omavarainen. ITERin ja myöhemmin DEMOn rakentaminen edellyttää teollisuuden vahvaa osallistumista. Teollisuuden tukena on tutkimuslaitosten ja yliopistojen fysiikan ja teknologian tutkimus- ja kehitystyö. 16 ITERin kaaviokuva
ITERin suunnittelutyö (yhteistyössä muiden ITER-osapuolten kanssa) on ollut keskeinen osa Euroopan fuusiotutkimusohjelmaa viime vuosina. Suunnittelutyötä on pohjustanut eurooppalainen JET-laite (Joint European Torus) Culhamissa Englannissa. Sillä saavutettiin fuusiotehon maailmanennätys 16 megawattia vuonna 1997. ITERin suorituskyvyn arviointi perustuu laajaan mallinnustyöhön, jonka pohjana on eurooppalaisissa ja kansainvälisissä fuusiokokeissa syntynyt kattava koetulosten tietokanta. ITER-yhteistyötä tehdään kansainvälisen atomienergiajärjestön IAEA:n suojelussa. ITERin strategisena tavoitteena on demonstroida rauhanomaisen fuusioenergian teknistieteellinen toteutettavuus. Taiteilijan näkemys ITERin sijoituspaikasta Cadarachessa Ranskassa ITERin rinnalla tehdään pitkän aikavälin tutkimus- ja kehitystyötä DEMOa silmälläpitäen. Yksi tärkeimmistä tehtävistä on kehittää fuusioreaktorille optimaalisia ja heikosti aktivoituvia rakennemateriaaleja. 17
Eurooppalainen tutkimusalue usalue fuusio Euroopan fuusiotutkimuksen keskeinen piirre on ainutlaatuinen koordinointi, jonka ansiosta kaikki asiaankuuluvat T&K -resurssit voidaan tehokkaasti käyttää eurooppalaisen yhteistyön tärkeimpiin tutkimusalueisiin. Erityisen tärkeitä kohteita ovat JETin yhteiskäyttö sekä eurooppalaisen fuusiotutkimussopimuksen EFDA:n puitteissa toimiva teknologiaohjelma, joka suuntautuu voimakkaasti ITERiin, mutta sisältää myös DEMOn toteuttamiseen liittyvää tutkimustyötä. Koordinoituun fuusiotutkimusohjelmaan osallistuu sekä suuria että pieniä laboratorioita, ja tämä kattava ohjelma on malliesimerkki eurooppalaisesta tutkimusalueesta ja se on nostanut Euroopan magneettisen koossapidon fuusiotutkimuksen kansainväliseen kärkeen. Euratomin liittosopimukseen kuuluvissa laboratorioissa saavutettu menestyson tehnyt mahdolliseksi JETin rakentamisen ja nostanut tutkimuksen tasolle, jolla ITER voidaan toteuttaa. Tähän ei ainoakaan Euroopan valtio olisi yksin yltänyt. Varsinaisen kansainvälisen ITER-yhteistyön ohella eurooppalaisten ja Euroopan ulkopuolisten laboratorioiden välillä on tehty maailman parhaan asiantuntemuksen kokoamiseksi joukko kahden- ja monenvälisiä sopimuksia, jotka koskevat osapuolia yhteisesti kiinnostavia tutkimuskohteita. 18
Euratom-sopimuksen mukaan fuusioenergian tutkimus- ja kehitystyötä koordinoi Euroopan komissio. Työn toteuttamiseksi on luotu: Liittosopimus jäsenvaltion tutkimuslaitosten tai organisaatioiden ja Euratomin puiteohjelman välillä (liittosopimuksen alaiset laboratoriot on merkitty karttaan punaisilla ympyröillä). EFDA-sopimus, joka kattaa: - liittosopimusosapuolten ja teollisuuden teknologia-aktiviteetit, - JET-koneen yhteiskäytön, ja - Euroopan panostuksen ITERiin ja muihin kansainvälisiin yhteishankkeisiin. Määräaikaiset yksittäissopimukset sellaisten valtioiden välillä, jotka eivät ole solmineet fuusiota koskevaa liittosopimusta. Tutkijoiden liikkuvuutta edistävä sopimus ja Euratomin tutkija-apurahat. EU:n kuudennessa puiteohjelmassa (2002-2006) fuusioenergiatutkimus on temaattinen prioriteettialue, jonka EU-budjetti on 750 miljoonaa euroa (tästä 200 miljoonaa euroa voidaan käyttää ITERin rakentamisen aloittamiseen). Euroopan fuusiotutkimuksen onnistumisen takana on noin 2000 fyysikon ja insinöörin työpanos eurooppalaisissa laboratorioissa ja teollisuuslaitoksissa. 19
Magneettiseen koossak oossapitoon perustuv ustuva a fuusio Magneettisessa koossapidossa plasma vangitaan voimakkailla magneettikentillä tyhjiökammioon, joka eristää plasman ilmasta. Plasma koostuu sähköisesti varatuista elektroneista ja ioneista, jotka pääsääntöisesti liikkuvat magneettisten kenttäviivojen suuntaisesti. Kela Kela Plasma magneettikentässä Magneettiseen koossapitoon perustuva fuusio Periaatteessa plasma voidaan pitää koossa taivuttamalla kenttäviivat renkaaksi. Näin hiukkaset ja niiden energia saadaan tehokkaasti eristetyksi seinämistä, jolloin plasma pysyy kuumana. Rengasmaisen magneettikentän koossapito ei kuitenkaan ole täydellinen. Energiaa karkaa mm. säteilemällä ja törmäyksien seurauksena hiukkasten kulkeutuessa vähitellen kenttäviivojen poikki ulos plasmasta. Plasma ilman magneettikenttää Magneettikentät luodaan reaktiokammion ulkopuolisin käämein, joissa kulkee voimakas sähkövirta. Usein myös plasmassa kulkee sähkövirtoja, jotka täydentävät plasmaa kahlitsevia magneettikenttiä. 20
Plasmavirta Plasma Poloidaalikelat Tokamak-tyyppisessä laitteessa plasma toimii muuntajan toisiokääminä, ja virran muutos ulkoisessa ensiökäämissä indusoi plasmaan sähkövirran. Koossapidon kannalta oleellisen magneettikentän lisäksi tämä virta tuottaa lämpöä plasman sähköisen vastuksen ansiosta. Koska muuntajalla ei voida tuottaa jatkuvaa tasavirtaa keskeytyksettä, plasmapurkauksen kesto on rajallinen ja jatkuvatoimisuus edellyttää muita ratkaisuja. Toroidaalikelat Magneettinen voimaviiva Stellaraattori perustuu myös magneettiseen koossapitoon. Siinä koossapitävä magneettikenttä luodaan kokonaan ulkoisilla mutkikkaan Tokamakin kaavakuva muotoisilla käämeillä. Toisin kuin tokamakissa, stellaraattorissa ei tarvita lainkaan plasmavirtaa. Stellaraattorilla onkin luontaiset edellytykset jatkuvatoimisuuteen. Suurin rakenteilla oleva stellaraattori on Wendelstein 7-X Greifswaldissa Saksassa. Muita magneettiseen koossapitoon perustuvia rengasmaisia laitteita ovat kompakti (tai pallomainen) tokamak ja kääntökenttä-pinne. Stellaraattorin kaavakuva 21
Tokamakin pääkomponentit Keskussolenoidi Plasmavirtaa ajavan muuntajan ensiöpiiri. Toisiopiirin muodostaa itse plasma. Toroidaali- ja poloidaalikenttäkäämit Nämä käämit tuottavat plasman koossapitoon tarvittavan voimakkaan magneettikentän (tyypillisesti noin 5 Teslaa, joka on noin 100 000 kertaa suurempi kuin maan magneettikenttä), joka estää plasmaa koskettamasta tyhjiökammion seiniä. Diverttori Poistaa epäpuhtaudet ja heliumin tyhjiökammiosta. Ainoa alue jossa plasman annetaan koskettaa seinämiä. 22
Kryostaatti Käämejä ja tyhjiökammiota ympäröivä jäähdytetty tila (n. -200 C), joka mahdollistaa suprajohtavien magneettien pitämisen käyttölämpötilassaan (-269 C). Tyhjiökammio Eristää plasman ilmasta. Vaippa Nämä vaippamodulit sisältävät litiumia, josta fuusiossa syntyvät neutronit tuottavat tritiumia. Tritium kerätään talteen ja syötetään plasmaan. Neutronien luovuttama energia poistetaan lämpönä jäähdytysvesikierron avulla, ja näin tuotettu höyry pyörittää sähköä tuottavia generaattoreita. 23
Plasman kuumentaminen Tokamak-plasmassa kulkeva sähkövirta kuumentaa plasmaa. Kun plasman lämpötila nousee, tämän nk. ohmisen kuumennuksen teho laskee. Tällä menetelmällä plasma voidaan kuumentaa vain muutamaan miljoonaan asteeseen, mikä on noin 10 kertaa liian matala, jotta fuusioreaktioita voisi tapahtua riittävässä määrin. Korkeampiin lämpötiloihin pääsemiseksi tarvitaan ulkoisia kuumennusmenetelmiä. Suurtaajuuskuumennus käyttää voimakkaita sähkömagneettisia aaltoja, jotka siirtävät energiansa plasmaan resonanssiabsorption kautta. Kolme suurtaajuussysteemiä on kehitetty: ionisyklotroniresonanssikuumennus (20-55 MHz), elektronisyklotroniresonanssikuumennus (100-200 GHz, pääasiassa mikroaaltoja) ja alahybridikuumennus (1-8 GHz). OHMINEN KUUMENNUS Virta Ionisoituneita, vangittuja atomeja Energeettisiä vetyatomeja Neutraloija Kela Aaltoputki Vetyionilähde KUUMENNUS RADIOTAA- Tore Supran JUUSAALLOIL- radiotaajuusantenni (CEA LA Cadarache, Ranska) KUUMENNUS NEUTRAAL- ISUIHKUIN- JEKTIOLLA Plasmaan voidaan ampua hiukkassuihku, joka koostuu neutraaleista atomeista. Suihku tunkeutuu plasmaan ja ionisoituu. Hiukkasten energia siirtyy plasmaan hiukkastörmäysten välityksellä. 24 JETin neutraalisuihkujärjestelmä
Plasmadiagnostiika gnostiikat t ja mallinnus Fuusioreaktorin suunnittelemiseksi on välttämätöntä ymmärtää prosessit, joita plasmassa tapahtuu. Tämä vaatii kehittyneitä ja mutkikkaita mittausjärjestelmiä, nk. diagnostiikkajärjestelmiä. Eurooppalaisissa laboratorioissa kehitetään mittausmenetelmiä ja -laitteita plasman ominaisuuksien seurantaan - erittäin voimakkaiden laserien avulla tapahtuvasta plasman keskustan lämpötilamittauksesta aina plasman epäpuhtauksien määrän ja syntypaikan mittaamiseen reunalla. Mittauslaitteilla saatuja tuloksia käytetään uusien tietokonemallien tukena. Koetulosten ja tietokonemallien avulla pystytään lopulta ennustamaan fuusiokoelaitteen suorituskyky ja varmistamaan, että laite toimii odotetusti. Kaaviokuva ITERin diagnostiikoista 25
ITER tie fuusioenergiaan ITER on seuraava virstanpylväs kehitettäessä kaupallista fuusio-reaktoria. ITER-projekti perustuu onnistuneeseen kansainväliseen yhteistyöhön ja lukuisiin yhteisiin teknologia-, tutkimus- ja kehityshankkeisiin. ITER tulee tuottamaan yli 400 MW fuusiotehoa 6 minuutin jaksoissa. Toimintaaikaa tullaan myöhemmin pidentämään, kunnes saavutetaan tilanne jossa tehoa tuotetaan jatkuvasti. ITERin pääomakustannukset ovat n. 4,6 miljardia euroa (vuoden 2000 rahassa). ITERin rakentaminen kestää 8-10 vuotta, ja laitetta tullaan käyttämään noin 20 vuotta. ITER perustuu tieteellisiin tutkimustuloksiin, jotka on saavutettu eri puolilla maailmaa sijaitsevilla koelaitteilla ITERin diverttorin täysimittainen prototyyppi 26 Gyrotroni: suuritaajuuksinen mikroaaltolähde
Tyhjiökammion sektoreiden suurteholaserhitsaus (11 kw) Toroidaalikelan mallikappaleen testaus Gyrotroni: suuritaajuuksinen mikroaaltolähde (1 MW) ITERin diverttorin etähuollon testausalusta (uusi ITERin diverttorin etähuollon testauskeskus on VTT:llä Tampereella) Vaipan testauslaitteisto Ensiseinämän tiilien lämpökuormitustestaus Täysimittaisen diverttorikohtion mallin testaus Framatomella 27
Pitkän tähtäimen teknologia giatutkimusus ITERin lisäksi tehdään myös runsaasti fuusioteknologian tutkimus- ja kehitystyötä DEMOa varten. Eurooppalaiset hyötövaippatutkimukset keskittyvät heliumilla jäähdytettävään vaipparatkaisuun, jossa hyötöaine on litiumlyijyä tai litiumkeraamia. Eurooppalainen rakennemateriaalien kehitystyö keskittyy heikosti aktivoituviin ferriittisiin ja martensiittisiin teräksiin (EUROFER) ja pidemmällä tähtäimellä piikarbidikomposiittien tutkintaan. Turvallisuus- ja ympäristökysymyksiin kiinnitetään huomiota. Pääsääntöisesti on keskitytty menetelmien jatkokehitykseen ja aktivoituvien materiaalien määrän minimointiin. Johtopäätös on, että fuusioreaktori voidaan suunnitella siten, ettei mikään laitoksen sisäinen onnettomuus vaadi lähistöllä asuvan väestön evakuointia. Sosioekonomiset tutkimukset analysoivat fuusion talousnäkökohtia ja pitkän tähtäimen näkymiä. He -alijärjestelmät Radiomyrkyllisyys (hengitettynä) Fuusiomateriaalit Hiilituhka Radiomyrkyllisyyden väheneminen eri fuusiovoimalakonsepteissa verrattuna hiilituhkan radiomyrkyllisyyteen He Pb-17Li 28 Varastointiaika (vuosia) Piikarbidikomposiittisista valmistetut läpiviennit Pol. Rad. Hyötövaippa Tor. EUROFER - ensiseinämä
Tritiumpumppu Nestemetallikorroosiotesti Berylliumkuulat EUROFER-teräsnäytteitä EUROFER-teräksen ominaisuuksia Jäähdyteliittymät Kuuma suoja Kylmä suoja KFKI-tutkimusreaktori Unkarissa He Ensiseinään kiinnitetty vahvistettu levyrakenne Säteilytyssuihku n profiili IFMIFissä 29
Tiedotustoiminta Euroopassa Monissa Euroopan kaupungeissa kiertänyt Fuusio-Expo -näyttely luotiin edistämään suuren yleisön ja opiskelijoiden tietoisuutta Euroopassa tehtävästä fuusiotutkimuksesta. 30 Fuusio-Expo Santanderissa Espanjassa (joulukuu 2003)
Fusion Road Show Toinen malliesimerkki fuusioyhteisön luomasta yleistajuisesta fuusiota selventävästä esityksestä on hollantilaisen Euratom-FOM assosiaation kehittämä Fusion Road Show. Se koostuu sarjasta yksinkertaisia kokeita, joilla havainnollistetaan ja selitetään fuusion perusperiaatteet viihdyttävässä muodossa. 31
EIROf Oforum Euroopan fuusio-ohjelma on EFDA-sopimuksen kautta mukana EIROforumissa, joka on seitsemän eurooppalaisen monikansallisen tutkimusorganisaation yhteistyöhanke. EIROforumin päämääränä on aktiivisesti ja rakentavasti edistää eurooppalaisen tutkimuksen laatua ja painoarvoa. Erityisesti tavoitteena on koordinoida jäsenorganisaatioiden kontaktitoimintaa mukaan lukien teknologioiden siirto ja yleisön valistaminen. EIROforumiin kuuluu seitsemän jäsentä: CERN European Organisation for Nuclear Research (Sveitsi) EFDA European Fusion Development Agreement (Iso-Brittannia, Saksa) EMBL European Molecular Biology Laboratory (Saksa) ESA European Space Agency (EU), ESO European Southern Observatory (Saksa, Chile) ESRF European Synchrotron Radiation Facility (Ranska) ILL Institut Laue Langevin (Ranska). 32 Fysiikka esittäytyy 3 - opettajat työssä
Opetus- ja koulutustoimintak Euroopassa Nuorten tutkijoiden koulutus ja harjoittelu on tärkeä osa fuusioassosiaatioiden ohjelmaa. Suurella osalla assosiaatioiden henkilökunnasta on opetusvelvollisuuksia oppilaitoksissa, lähinnä yliopistoissa, ja noin 200-250 perus- ja jatko-opiskelijaa tekee tutkimusta assosiaatioiden laboratorioissa. Monet assosiaatiot järjestävät fuusio- ja plasmafysiikan jatko-opintokursseja ja kesäkouluja jatko-opiskelijoille ja hiljattain valmistuneille tutkijoille. Eräitä assosiaatioiden järjestämiä kesäkouluja Carolus Magnus Summer School The TEC group of Associations (Belgia, Saksa, Hollanti), Culham Summer School Association Euratom-UKAEA (Iso-Britannia), Volos Summer School Association Euratom-Greece (Kreikka), IPP CR Summer School - Association Euratom-Institute of Plasma Physics, (Tshekin Tasavalta). 33
Fuusiotutkimuksen uksen oheistuotteet muilla huipputeknologian aloilla Teollisuudella on ollut tärkeä osuus laitteiden rakentamisessa ja fuusiotutkimukseen tarvittavien teknologioiden kehittämisessä. Teollisuus on pystynyt soveltamaan fuusiotutkimuksessa kehittämäänsä osaamista myös muilla aloilla. Tkimuksesta ovat hyötyneet mm. plasmaprosessointitekniikat, materiaalien pintakäsittely, valaistus, plasmanäytöt, tyhjiöteknologia, tehoelektroniikka ja metallurgia. Tietoa siirtyy fuusioalalta muille teknologiasektoreille myös tutkimusalaa vaihtavien fuusiotutkijoiden mukana. Tällainen tietotaidon siirto ja poikkitieteellisyys toimii osaltaan tärkeänä Euroopan tieteellisen ja teknologisen kehityksen moottorina. Avaruusaluksen ionimoottori 34
Viitteet Taustatietoa: Vihreä kirja energiahuoltostrategia Euroopalle, Euroopan komissio, COM (2000) 769 http://europa.eu.int/comm/energy_transport/fi/lpi_lv_en1.html Asiaan liittyviä nettisivuja: http://europa.eu.int/comm/research/energy/fu/fu_en.html http://www.efda.org http://www.jet.efda.org http://www.iter.org http://www.fusion-eur.org http://www.eiroforum.org Lisätietoja: R.Antidormi European Commission Directorate General RTD J6 Fusion Association Agreements 75 rue Montoyer B-1049 Brussels - Belgium tel: +32 229 98899 - fax: +32 229 64252 e-mail: rosa.antidormi@cec.eu.int http://europa.eu.int/comm/research/energy/fu/fu_en.html 35
MYYNTI JA TILAUKSET Julkaisutoimiston toimittamat maksulliset julkaisut ovat saatavissa myyntiedustajiltamme kautta maailman. Miten jonkin julkaisun voi hankkia? Myyntiedustajien luettelosta valitaan sopiva edustaja, johon otetaan yhteys tilauksen jättämiseksi. Mistä myyntiedustajien luettelon saa? joko julkaisutoimiston Internet-sivustosta osoitteesta http://publications.eu.int/ tai pyytämällä sitä faksitse numerosta (352) 29 29-42758, jolloin se toimitetaan painettuna versiona.
Euroopan komissio Fuusiotutkimus Tavoitteena tulevaisuuden energiavaihtoehto Euroopalle Luxemburg: Euroopan yhteisöjen virallisten julkaisujen toimisto 2005 40 pp. format A5, 14.8 X 21.0 cm ISBN 92-894-7719-9 Price (excluding VAT) in Luxembourg: EUR 25 37
Tähdentekijät Kahdeksan minuutin mittainen Tähdentekijät elokuva kertoo ITERistä, suuresta koelaitteesta joka tullaan rakentamaan maailmanlaajuisena yhteistyönä ja joka on seuraava askel tiellä kohti fuusioenergiaa. Virtuaalitodellisuusvierailu laitoksella luo katsojalle havainnollisen kuvan tästä jättiläisprojektista. Fuusio- Expossa 3D-lasien läpi nähtynä elokuva vie yleisön huikealle virtuaalitodellisuusmatkalle. Tämä jakeluversio on kaksiulotteinen eikä vaadi erityislaseja. Elokuvan on tuottanut Centre de Recherches en Physique des Plasmas, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (CH) Euroopan komission tutkimuspääosaston rahallisella tuella. Elokuvan on luonut tietokoneilla Digital Studios SA Pariisissa käyttäen apuna ITER-koelaitteen tietokoneavusteista suunnittelua. 38
39
Euratomin erityisohjelmaa koskevassa päätöksessään ministerineuvosto totesi: "Fuusioenergia saattaa vuosisadan jälkipuoliskolla tuottaa saasteettomasti osan suuren mittakaavan peruskuormasähköntuotannosta. Fuusiotutkimuksessa saavutetut edistysaskeleet antavat aiheen tarmokkaisiin jatkoponnistuksiin kohti pitkän aikavälin tavoitteena siintävää fuusiovoimaa." Tämä kirjanen kuvaa fuusiotutkimusta sekä sen koordinointia ja hallinnointia Euroopassa. Seuraavan sukupolven fuusiokoelaite on ITER, jonka odotetaan viitoittavan fuusiolle tietä merkittäväksi osaksi maailman energiantuotantoa tämän vuosisadan jälkipuoliskolla. 15 KI-60-04-256-FI-C Tässä kirjasessa esitetyt tiedot on koottu Euroopan fuusiotutkimusohjelman tutkimushankkeista.