Puhdasta energiaa fuusiovoimalla

Puhdasta energiaa fuusiovoimalla

16.05.2023

Fuusioenergia lupaa ratkaista maailman energiaongelmat päästöttömästi, ympäristöystävällisesti ja edullisesti. Mutta toteutuuko visio?

No niin lapsukaiset, hakekaapa kaivosta ämpärillinen vettä. Kaatakaa se sitten tuonne fuusiogeneraattoriin, niin meillä riittää taas sähköä.

Olisihan se kodikasta kuunnella fuusiogeneraattorin pulputusta keittiössä, kun se tahkoaisi sähköä kuten takka, jonne pannaan halkoja, kun tarvitaan lämpöä.

Aivan näin pitkällä ei vielä olla, sillä arvioiden mukaan fuusioenergian tuotanto voi startata aikaisintaan vuosina 2030–2040.

Myös Paluu Tulevaisuuteen II -leffan jätteillä toimiva auton fuusiogeneraattori jää haaveeksi, sillä fuusiossa vaaditaan erittäin järeää teknologiaa.

 

Ämpäri vettä riittää pitkälle

Teoriassa litra vettä sisältää 156 milligrammaa deuteriumia, josta voidaan tuottaa noin 104,52 kilowattituntia sähköä. Ämpärillinen vettä riittäisi siis hyvinkin isonkin asunnon sähkötarpeisiin vuoden ajaksi.

Lisäetuna fuusioenergia on ympäristöystävällistä ja hiilineutraalia, eikä se aiheuta päästöjä eikä ydinjätettä kuten fissioenergiaa tuottavat ydinreaktorit.

Fuusioenergian tehokkuus, ympäristöystävällisuus ja maailman rajattomat vesivarannot valtamerissä ja Suomen järvissä kannustavatkin nyt tutkimusta etsimään ratkaisuja.

 

Haasteena reaktion hallinta

Fuusiogeneraattori tuottaa energiaa auringon tavoin. Prosessissa kaksi kevyttä atomiydintä, kuten deuterium ja tritium yhdistyvät. Tämä vapauttaa huimasti energiaa.

Ensimmäinen ongelma on hallittu käynnistys. Käynnistys toteutetaan valtavien laserien avulla, jotka keskitetään polttoaineeseen. Näin saavutetaan vaadittava, noin 100 miljoonan asteen lämpötila.

Sen jälkeen fuusioreaktio ylläpitää itseään. Toinen ongelma on siinä, miten pidetään tulikuuma ja epävakaa vetyplasma hallinnassa siten, ettei se sulata polttokammiota. Tämä tehdään voimakkaiden magneettikenttien avulla.

Lisähaasteena on saada reaktori tuottamaan enemmän energiaa kuin fuusiokammion alkulämmitys vaatii. Ylijäämä voidaan sitten muuntaa sähköenergiaksi.

 

Miten fuusioenergia keksittiin?

Fuusioenergia sai alkunsa vuonna 1926 kun brittiläinen astrofyysikko Arthur Eddington ehdotti, että aurinko tuottaa energiansa fuusioimalla vetyä heliumiksi.

Vuonna 1934 atomimallin luoja brittiläinen Ernest Rutherford osoitti, että vedyn deuterium-isotoopit voivat fuusioitua heliumiksi vapauttaen samalla suuret määrät energiaa.

Tutkimus jatkui yhdysvaltalaisessa Manhattan Project -hankkeessa, ja toteutui Ivy Mike -vetypommin räjäytyksessä vuonna 1952.

 

Hidasta tarpomista eteenpäin

50-luvulla neuvostoliittolaiset tutkijat Andrei Sakharov ja Igor Tamm kehittivät ajatuksen jatkuvasti toimivasta Tokamak-fuusioreaktorista, jossa plasmakaasu pidetään koossa magneettikenttien avulla.

Ensimmäiset onnistuneet kokeet tehtiin Yhdysvalloissa 1958 Scylla 1 -reaktorilla. Fuusioreaktio kesti kuitenkin vain sekunnin miljoonasosan. Brittiläinen Zeta-hanke pääsi jo tuhannesosasekuntiin.

1990-luvulla JET-hakkeeseen osallistui 11 eurooppalaista valtiota ja siinä käytettiin deuterium/tritium-seosta. Reaktori saavutti hetkellisesti 16 megawatin tehon ja sen pohjalta alettiin suunnitella nykyistä Iter-reaktoria.

Sitten tutkimus jatkui reaktorityyppien parissa. Yleisimmät ovat Tokamak, sen pohjalta suunniteltu Stellaattori sekä pienempiin reaktoreihin sopiva Laser-fuusio.

 


Tältä näyttää fuusioreaktorin sisällä. Lämpöä on noin 100 miljoonaa astetta. Ympärillä näkyvät huipputehokkaat magneetit, jotka pitävät tulikuuman plasman koossa. Kuvassa ranskalainen Iter-reaktori.

 

Miten vaikuttaa sähkön hintaan?

Fuusioenergian vaikutusta sähkön hintaan on vielä vaikeata arvioida. Jotain arvioita voidaan kuitenkin antaa sähkön hintatason tulevasta kehityksestä.

Alkuvaiheessa fuusiovoimalaitosten rakentaminen ja käyttöönotto tulee olemaan erittäin kallista. Investoinnit infrastruktuuriin ja polttoainetuotantoon ovat korkeat, joka nostaa fuusiosähkön hintaa.

Taustalla vaikuttavat myös sähkömarkkinoiden rakenne, poliittiset linjaukset ja kilpailutilanne muiden energialähteiden kanssa.

Kun fuusioenergia osoittautuu kilpailukykyiseksi, voidaan nyrkkisääntönä arvioida sähkön tarjonnan kasvavan voimakkaasti, joka tulee laskemaan sähkön hintaa.

 

Vaatii vielä paljon tutkimusta

Fuusioreaktiota on kyetty ylläpitämään vasta vajaa seitsemän minuuttia. Uusin ennätys tehtiin keväällä kiinalaisessa East-reaktorissa. Tutkimustyötä tehdään myös Ranskassa, Saksassa, Yhdysvalloissa, Etelä-Koreassa ja Japanissa.

Ranskassa toimiva kokeellinen Iter-reaktori on kunnianhimoinen energia-alan hanke. Sen tavoitteena on rakentaa maailman ensimmäinen täysikokoinen fuusioreaktori ja ratkaista tuotantohaasteet vuoteen 2030 mennessä.

Muita tunnettuja hankkeita ovat yhdysvaltalasen TAE Technologies -yhtiön ja Googlen Applied Science -yksikön Copernicus-reaktori, ranskalainen WEST, brittiläinen Tokamak Energy, MIT-korkeakoulun kokeellinen Alcator ja saksalaisen Max Planck -instutuutin Wendelstein.

Myös Suomi osallistuu kehitystyöhön. VTT ja Comatec kehittävät Iter-reaktorin seinäkuormien mallinnusta, magneettien hallintaa, lujuuslaskentaa, konesuunnittelua, reaktorin puhdistusjärjestelmiä ja etäohjattavaa robotiikkaa.

Saksalainen Wendelstein 7-X käyttää viistoja magneetteja plasman ohjaamiseen. Kierteinen tulikuuma vetyplasma pysyy näin tutkijoiden mukaan paremmin kasassa.

 

Teksti: Pekka Tolonen
Kuvat: Iter-hanke ja Max Planck -instutuutti

 


Kommentit

Myös nämä saattavat kiinnostaa sinua!

#kaukolämpö #lämpö  

Miksi kaukolämpövesi on vihreää?

Myrkynvihreä lämmin vesi kadulla tai maastossa voi herättää levottomuutta. Kyseessä on kuitenkin vaarattomilla väriaineilla käsitelty kaukolämpövesi. Villin näköisen värin tehtävänä on paljastaa kaukolämpöverkon vuotokohdat.

#energiatehokkuus #energiavinkki #kesämökki #kotona #vapaalla  

Vietä juhannus kestävästi

Lähestyvä juhannus on monille kesän kohokohta. Kesäkelit asettavat haasteita elintarvikkeiden kylmäketjulle. Myös jätehuollosta ja kierrätyksestä on huolehdittava juhannuksena. Tehdään juhannuksesta ekologinen ja iloinen juhla.

#kilpailut  

Pelaa ja voita

Vastaa sähkövisaan tai täytä sähköinen ristikkomme. Visan vastaukset löydät lukemalla tämän uutispohjan juttuja. Uusi visa ja ristikko ilmestyy neljä kertaa vuodessa ja on avoinna aina noin kaksi kuukautta ilmestymisen jälkeen.

Katso myös nämä aihepiirit!

#kotona #vapaalla #kolumni #turvallisuus #energiatehokkuus #sähkö #energiavinkki #verkkopalvelu #sähköverkko #ilmastonmuutos #työ #viihde-elektroniikka #tulevaisuus #osaaminen #kesämökki #laiteuutuudet #sähkönsiirto #energiantuotanto #ympäristö #puutarha #piha #hyvinvointi #sähköinen liikenne #kaukolämpö #resepti #lämpö #kodinkone #ilmastointi #energiapolitiikka #hiilijalanjälki #testi #tekoäly #sähköpula #toimitusvarmuus #aurinko #lämmitys #astettaalemmas #aurinkopaneeli #kilpailut #sähkönsäästö #pääsiäinen #energiansäästö #sähkövero #sähköauto #ystävänpäivä #sähköasennukset #Laskiainen #datahub #sahkolasku