Fuusioreaktori

Vedyn helposti fuusioituvia raskaita isotooppeja, ovat deuterium D ja tritium T. Todennäköisesti ensimmäinen fuusioreaktori toteutetaan (jos siis fuusiota yleensäkään saadaan toimimaan reaktorissa) käyttäen deuterium-tritium-fuusiota eli DT-fuusiota, koska se on helpoin toteuttaa ja myös tuottoisin. Tämä reaktio vaatii toimiakseen 90 miljoonaa astetta. Deuterium-deuterium-reaktio vaatii jo 600 miljoonaa astetta.

D-T-reaktio tuottaa heliumia ja energiaa deuteriumista ja tritiumista.

${\displaystyle {}_{1}^{3}{\hbox{T}}+{}_{1}^{2}{\hbox{D}}\to {}_{2}^{4}{\hbox{He}}+{\hbox{n}}}$

Yksi D-T reaktio vapauttaa 17,6 MeV energiaa eli grammasta fuusioituvaa ainetta tulee 95000 kWh sähköä.

Eräs deuterium-tritium-reaktorin rasite on se, että se vaatii litiumia, josta reaktorin tuottamat neutronit pilkkovat tritiumia. Alkupanokseksi vaaditaan valmista tritiumia jonkun verran. Tämä tritium voidaan tuottaa fissiotutkimusreaktorissa tai vastaavassa. Litiumin määrä on maan pinnalla rajallinen. Tämän reaktion tuottamat hyvin suurienergiaiset neutronit ovat vaarallisempia kuin D-D-reaktion tuottamat. Reaktori ei liene ainekiloa kohden käytännössä yhtä tuottoinen kuin D-D-reaktori.

Pääasiallinen deuterium-deuterium-reaktorin etu on, että se ei vaadi polttoaineeksi litiumia tai tritiumia.

${\displaystyle {}_{1}^{2}{\hbox{D}}+{}_{1}^{2}{\hbox{D}}\to {}_{1}^{3}{\hbox{T}}+{\hbox{p}}}$

ja myös

${\displaystyle {}_{1}^{2}{\hbox{D}}+{}_{1}^{2}{\hbox{D}}\to {}_{2}^{3}{\hbox{He}}+{\hbox{n}}}$

D-D-reaktorin etuja on riippumattomuus tritiumista tai litiumista, sekä luultavasti hieman pehmeämpi neutronisäteily.

Fuusio on vaikea toteuttaa, koska kaikki atomiytimet ovat positiivisesti varautuneita ja siten hylkivät toisiaan. Jos kuitenkin ytimiä puristetaan tai törmäytetään kyllin lujaa toisiaan vastaan, atomiytimet voivat yhdistyä. Fysiikasta tiedetään, että lämpö on aineen pienimpien osasten liikettä. Lämpötilan kasvaessa atomit ja niiden ytimet liikkuvat yhä nopeammin. Riittävän korkeissa lämpötiloissa atomin ytimet liikkuvat niin nopeasti, että törmäävät toisiinsa sähköisistä poistovoimista huolimatta. Törmäyksessä ytimet yhdistyvät ja vapautuu suuri määrä energiaa. Maan oloissa 100–150 miljoonan asteen lämpötilassa vetyatomien liike on jo niin nopeaa, että vety-ytimien positiiviset varaukset eivät enää riitä hylkimään atomiytimiä. Auringossa fuusio tapahtuu jo matalammassa, kymmenen miljoonan asteen luokkaa olevassa lämpötilassa, sillä aineen tiheys on siellä huomattavasti suurempi. Fuusiota siis edistää korkean lämpötilan lisäksi suuri tiheys. Fuusioreaktori vaatii siis riittävän lämpötilan, tiheyden ja plasman koossapitoajan.

Jotta fuusioreaktio alkaisi, fuusioituva vety pitää kuumentaa riittävän korkeaan lämpötilaan, puristaa riittävän tiheäksi ja pitää koossa riittävän kauan. Näin fuusiolaitteen energiantuotolle välttämätön (mutta ei riittävä) ehto on, täyttääkö se tietyssä lämpötilassa tarvittavan hiukkastiheyden ${\displaystyle n}$ ja koossapitoajan ${\displaystyle \tau }$ (tau) tulon. Tietylle lämpötilalle ja fuusiopolttoaineelle ${\displaystyle N\cdot \tau }$ on Lawsonin kriteeri. Sen esitti J. D. Lawson vuonna 1957.[1][2]

D-T-reaktiolle 100 miljoonan kelvinin lämpötilassa, jolloin hiukkasten keskimääräinen kineettinen energia on 10 keV luokkaa, Lawsonin kriteeri ${\displaystyle N\cdot \tau }$ on 10²⁰ s/m³. D-D-reaktiolle taas Lawsonin kriteeri on 10²² s/m³ eli energian tuottamiseksi tarvitaan 100-kertainen lisäys vetyionien tiheydelle tai koossapysymisajalle tai jollekin näiden yhdistelmälle.[3][2]

Fuusioreaktiot vapauttavat ylimääräisiä neutroneja tai protoneja, jotka ovat vaarallista ionisoivaa säteilyä ja saattavat muuttaa reaktorin materiaaleja radioaktiivisiksi. Tämän takia yhtä fuusioreaktoria voitaneen käyttää korkeintaan muutaman vuosikymmenen ajan – lopulta reaktorin materiaalit alkavat säteillä vaarallisesti ja reaktori on hajotettava ja siirrettävä asianmukaiseen säilöön esim. betonin sisään. Reaktorin osat saattavat pysyä vaarallisen radioaktiivisina muutamia satoja vuosia.

Fuusioitava vety on kuumennettava korkealämpöiseksi plasmaksi, jota pidetään koossa magneettikentillä "magneettisessa pullossa". Plasmassa positiivisesti varautuneet atomin ytimet ja elektronit ovat irti toisistaan. Vety on plasmaa yli 100 000 kelvinin lämpötilassa. Pullon vaatimat voimakkaat magneettikentät on saatu aikaan suurilla suprajohtavilla käämeillä, joissa kulkee suuri virta. Plasman pidempiaikainen koossa pitäminen on osoittautunut ongelmalliseksi, sillä kuumassa magneettisessa plasmassa on monia epävakaisuusilmiöitä. Magneettifuusiolaitteissa kuumennettu vety on pidettävä irti reaktorin seinämistä, koska mikään seinämä ei kestä plasman 100 miljoonan asteen lämpötilaa. Plasma värähtelee ja on epävakaata. Usein yritykset vakauttaa plasmaa ovat tuottaneet uusia epävakaisuuksia. Eri fuusiolaitteissa on erilaisia puutteita, mutta eräs kaikille laitteille tyypillinen ongelma on uurre-eli vaihtoepävakaisuus. Yleensä epävakaisuudet johtuvat magneettikentän voimaviivojen kaartumisesta.

Tokamakin magneettikenttä ja virta

Joint European Torus (JET) vuonna 1991.

Tokamak on tavallisin tapa toteuttaa fuusiolaite fuusioreaktoriin liittyvissä tutkimuksissa. Se on rakenteeltaan suhteellisen yksinkertainen ja helpohko toteuttaa. Tokamakeja on tämän takia rakennettu moniin maihin. Laite on munkkirinkilän eli toruksen muotoinen tyhjiökammio, jota ympäröivät voimakkaat magneetit. Kammion keskellä on ohut kuuma vetyplasma, jota kuumennetaan ja pidetään paikoillaan miljoonien ampeerien suuruisilla sähkövirroilla. Magneettikentät ovat suuruuksiltaan useita tesloja, ja Tokamak vaatii kymmenien megawattien energian sisäänsyötön toimiakseen.[4]

Tokamakissa fuusioituva deuterium kuumennetaan vaihtuvalla magneettikentällä kuumaksi plasmaksi, joka pidetään renkaanmuotoisen kammion keskellä. Aluksi plasma kuumennetaan muuttuvien magneettikenttien aiheuttamalla virralla noin 30 miljoonaan asteeseen asti. Tämän jälkeen kuumennusta jatketaan muilla tavoilla, esimerkiksi hiukkassuihkuilla tai radiotaajuisella sähkökentällä. Plasman keskellä lämpötila on 100 miljoonaa astetta, reunalla 2 000 astetta. Plasma pysyy koossa ulkoisten magneettikenttien ja plasmassa esiintyvien virtojen aiheuttamien kenttien avulla. Nimi tokamak tulee venäjän sanoista toroidinen kammio magneettikäämeillä (ven. тороидальная камера с магнитными катушками, toroidalnaja kamera s magnitnymi katuškami). Tokamakin idean esittelivät venäläiset fyysikot Igor Tamm ja Andrei Saharov vuonna 1951. Tokamak-reaktorissa plasma pysyy paikoillaan korkeintaan tunnin kerrallaan, jonka jälkeen reaktori on tyhjennettävä ja täytettävä uudella polttoaineella.[5]

Tokamakin vakava kehittely alkoi Neuvostoliitossa 1960-luvulla. Tuleva koefuusioreaktori ITER on rakenteeltaan Tokamak. Koska plasmassa oleva magneettikenttä on rinkelimäinen, vakauttaa se sitä luonnostaan. Plasma pyrkii kuitenkin vaeltamaan pitkin magneettikenttää, ja suorassa päistään puristetussa "tukitussa" magneettikentässä plasma karkaa helposti.[4] Joint European Torus (JET) on tokamak-tyyppinen reaktori, joka aloittaa testit raskaalla ja superraskaalla vedyllä vuoden 2020 lopulla.[5]

Magneettikenttä on renkaassa olevan ruuvikierteen muotoinen. Rengaskammion poikkileikkaus on yleensä ulospäin osoittava D. Toruksen muoto on sopiva, koska plasmalla on taipumus virrata tiettyyn suuntaan pitkin magneettikentän voimaviivoja. Näin plasma kiertää toruksessa. Tokamakissa on hienosta teoriasta huolimatta monia epävakaisuusilmiöitä, eikä siinäkään ole onnistuttu pitämään fuusioreaktiota käynnissä kovin kauan.

Ranskalaisella WEST-reaktorilla on vuonna 2003 tehty kuuden ja puolen minuutin maailmanennätys.[5] Japanilaisessa JT60-SA-reaktorissa testataan suprajohtavia magneetteja.[5]

JET-koereaktori on tehnyt ennätyksen tuotetun energian määrässä: JET tuotti 59 megajoulea energiaa alle kymmenessä sekunnissa, joka rikkoi vuoden 1997 ennätyksen 21,7 megajoulen tuotannosta.[6]

Wendelstein 7-X vuonna 2011.

Toinen ratkaisu, stellaraattori, muistuttaa tokamakia, mutta plasmavirroilla ei siinä ole merkitystä plasman koossa pitämisessä. Tällaisia laitteita on tutkittu vähemmän kuin tokamakia.

Stellaraattorissa pyritään kiertämään joitain plasmalle tyypillisiä epävakaisuuksia, joita tokamakissa on. Stellaraattori on tokamakia monimutkaisempi niin teoriassa kuin käytännössäkin. Monet stellaraattorin osat ovat vaikeampia valmistaa kuin tokamakin osat. Jotkut plasmatutkijat pitävät Yhdysvalloissa 1950-luvulla kehitettyä stellaraattoria tokamakia kehittyneempänä, parempana ratkaisuna. Laitteita on tutkittu Yhdysvalloissa, Saksassa ja Japanissa. Stellaraattorin plasmatila on mutkainen torus.

Stellaraattoriin voitaisiin lisätä polttoainetta sen ollessa käytössä.[5] Wendelstein 7-X on stellaraattori, jossa plasma on saatu pidettyä hallussa 100 sekuntia kerrallaan.[5]

Laserfuusiolaitteessa lasersäteet puristavat fuusioituvaa ainetta sisältävän pienen pillerin (pelletin) kasaan. Puristuminen perustuu kuumenemisen aiheuttamaan pelletin pintakerroksen laajenemiseen. On myös tutkittu pelletin puristamista ioneilla. Fuusion sytyttämistä on tutkittu NOVA-laserilla sekä National Ignition Facilityllä (NIF).

EU:ssa aiheen tutkimushankkeita ovat muun muassa HIPER ja Laser Mégajoule (LMJ).[7]

Vuonna 2021 kerrottiin, että NIF on onnistunut laser-fuusiossa ja se on tuottanut energiaa lyhyen ajan.[8] Kokeen toistaminen on kuitenkin tuottanut vaikeuksia.[9] Reaktio ei toistaiseksi tuntemattomasta syystä käyttäydy ennakoidulla tavalla kun plasma siirtyy syttymispisteestä palamiseen.[10]

Laser-fuusio käynnistyy lyhyellä erittäin voimakkaalla pulssilla laser-valoa, joka kohdistuu pieneen metalliseen sylinteriin. Metalli säteilee röntgen-säteitä, joka höyrystää läheisen pelletin pinnan. Tämä tuottaa voimakkaan lämpöaallon ja painetta pelletin sisään, jossa on deuteriumia ja tritiumia. Nämä muodostavat korkean energian plasmaa, joka luo sopivan tilanteen fuusioreaktiolle. Jos kaikki toimii oikein tämä sytyttää plasman eikä lisää energiaa tarvita.[10]

Joulukuussa 2022 kerrottiin, että Lawrence Livermore National Laboratoryn National Ignition Facility Kaliforniassa on onnistunut tuottamaan enemmän energiaa fuusiolla kuin reaktion ylläpitämiseen käytettiin. Koe tuotti 3,15 megajoulea energiaa kun reaktiota varten käytettiin 2,05 megajoulea energiaa.[11][12]

Fuusiotekniikkaa on tutkittu 1950-luvulta lähtien. Euroopan tunnetuimmassa fuusiolaitteessa JET:issä saatiin 1991 noin 1 megawatti 2 sekunnissa, mutta energiankulutus oli 15 megawattia. Tämä tulos oli huomattavasti parempi kuin 1970-luvulla, jolloin toiveet fuusiosta ennen vuotta 2000 olivat jo hiipuneet. 1994 USA:ssa tuotettiin 10,7 MW yhden sekunnin ajan satojen megawattien kulutuksella. Vuonna 1997 JETissä tehtiin maailmanennätys: 16 megawattia.[13] Tuolloin energiaa syntyi 21,7 megajoulea. Laitos on tyypiltään tokamak-reaktori.[14]

Edistys on ollut aikaisemmasta valtavaa: 1970-luvulla saatiin fuusiokokeissa ulos vain watin tuhannesosia. Kaikkien aikojen kestävin fuusioreaktio on mitattu ranskalaisessa koereaktorissa: kuusi ja puoli minuuttia.^lähde?

Fuusioreaktorin tekniikka on osoittautunut odotettua vaikeammaksi. Lisäksi tutkijoiden on ollut vaikeaa saada rahoitusta tutkimuksilleen niiden hitaan etenemisen ja pitkän aikajänteen takia. Yksi reaktorin haasteista on löytää materiaaleja, jotka kestäisivät reaktorissa esiintyviä äärimmäisen korkeita lämpötiloja.[15]

21. joulukuuta 2021 JET:issä tehtiin jälleen uusi fuusioreaktion ennätys, jonka kesto oli viisi sekuntia ja jossa energiaa syntyi 59 megajoulea.[14]

Joulukuussa 2022 kerrottiin, että laserfuusiolla on onnistuttu ensi kertaa tuottamaan enemmän energiaa kuin reaktioon käytetään. Reaktio tuotti 3,15 megajoulea energiaa kun siihen käytettiin 2,05 megajoulea.[11][12]