Kosmista Mustangia kesyttämässä, osa 1/2
Tässä kaksiosaisessa artikkelissa käymme läpi fuusioenergian viimeaikaista kehitystä, jossa on saavutettu viime vuosina merkittäviä askelia kohti kaupallista hyötykäyttöä. Tässä ensimmäisissä osassa kerromme perusteita fuusioenergiasta ja toisessa osassa viikon kuluttua kerromme tarkemmin, millaisiin kokeellisiin rakennelmiin on päädytty ja kuinka ne ovat onnistuneet.
Artikkelin toinen osa, 19.12.2023
Johdanto
Yleisesti ajallaan, että fuusioenergian hyödyntäminen on vielä kymmenien vuosien takana. Tämähän ei pidä ollenkaan paikkaansa, vaan fuusioenergia on ollut käytössä jo ihmiskunnan aamuhämäristä. Itse asiassa kaiken elämän mahdollistaja on oma valtava fuusioreaktorimme nimeltä Aurinko, jonka fuusioreaktioissa vapautuva energia saapuu Maahan sähkömagneettisena säteilynä. Tätä energiaa on hyödynnetty kautta historian monin eri tavoin, ja tänä päivänä sen teknologinen sovellus tunnetaan nimellä aurinkosähkö.
Aurinko on yksi maailmankaikkeuden tähdistä ja vieläpä aika vaatimaton sellainen. Se on valtava vetypallo, massaltaan 1030 kg, jota pitää koossa painovoima. Painovoima on myös vastuussa siitä, että Auringossa ovat käynnistyneet vedyn fuusioreaktiot, joissa neljä vety-ydintä yhdistyy ja muodostaa heliumytimen. Tämä voi kuulostaa varsin oudolta, koska vety-ydinhän on vain yksittäinen protoni, kun taas heliumydin koostuu kahdesta protonista ja kahdesta neutronista.
Auringossa fuusioreaktio onkin itse asiassa reaktioketju, ks. Kuva 1, jossa tietyistä askeleista vastuussa ei olekaan energiaa vapauttava vahva vuorovaikutus, vaan luonnon anarkistivuorovaikutus eli heikko vuorovaikutus. Kutsun sitä anarkistiksi, koska se ei voi luoda sidottuja tiloja, se voi vain hajottaa. Heikko vuorovaikutus muuttaa osan protoneja neutroneiksi ja näin mahdollistaa heliumin syntymisen. Heikkoa vuorovaikutusta saamme kiittää myös olemassaolostamme: koska se on heikko, sen aiheuttamien reaktioiden todennäköisyys on hyvin pieni, joten neutronien tuottaminen vie paljon aikaa. Tästä syystä Aurinkomme ei ole polttanut vetyään hetkessä valtavana tulipallona, vaan polttelee sitä siellä hissukseen ja antaa elämän jatkua maapallolla.
Auringon säteily ei kuitenkaan itsessään pystyisi ylläpitämään elinkelpoisia olosuhteita Maassa, vaan tarvitsee tuekseen kasvihuoneilmiön, jota ilman lämpö karkaisi kirjaimellisesti taivaan tuuliin ja maapallon keskilämpötila olisi noin 40 astetta nykyistä alhaisempi. Maata ympäröivä ilmakehä onneksemme toimii kuin perinteinen kasvihuone: ilmakehän hiilidioksidi (CO2) toimii samalla tavalla kuin lasi eli päästää (lyhytaaltoisen) auringon säteilyn läpi, mutta heijastaa (pitkäaaltoisen) lämpösäteilyn takaisin. Kasvihuoneilmiö ei siis ole paha asia, mutta kasvihuoneilmiön voimistuminen on, koska se johtaa ilmastonmuutokseen, jonka vaikutuksia ihmiselämän jatkumiseen tällä planeetalla ei kukaan pysty ennustamaan. Ainoa asia, joka on varma, on kokonaisvaltainen lämpötilan muutos, mutta miten se vaikuttaa eri osissa maapalloa, on aivan liian monimuotoinen prosessi ennustettavaksi.
Hiilidioksidin määrä ilmakehässä on aina vaihdellut, mutta vaihtelun aikaskaala on nyt jotain ennennäkemätöntä. Se on aivan liian nopea, jotta luonto voisi siihen jotenkin sujuvasti sopeutua. Nopeudesta vastuussa on ihminen, kuten kuva 2 osoittaa: CO2:n pitoisuus ilmakehässä ampaisi rakettimaiseen nousuun teollisen vallankumouksen myötä, kun fossiilisten polttoaineiden käyttö räjähti käsiin, ja on jo nyt puolitoistakertainen lähtötilanteeseen nähden. Jotain pitäisi siis tehdä, jotta hiilidioksidin syytäminen ilmakehään saataisiin loppumaan. Nyky-yhteiskunnat ovat täysin riippuvaisia sähköstä, joten ensimmäisenä mieleen tulee sähköntuotannon puhdistaminen hiilestä. Huomatkaa, että kirjoitan ”hiilestä” enkä fossiilisista. Biopolttoaineita nimittäin tarjotaan korvaamaan fossiilisia, jolloin perusasiat korvataan mielikuvamarkkinoinnilla: kun puuta poltetaan, vapautuu 112g (CO2 )/MJ. Kivihiilelle tuo luku on ”vain” 93g ja maakaasulle 55g (Tilastokeskus 2021). Suuret erot CO2-päästöissä selittyvät polttoaineiden sisältämän veden määrällä, jonka höyrystämiseen osa vapautuvasta energiasta kuluu.
Sähköntuotantomuotoja, jotka eivät perustu hiilen yhdistymiseen happeen, ovat nk. uusiutuvat energiamuodot eli vesi-, aurinko- ja tuulivoima, sekä ydinvoima. Biopolttoainetta en kutsu uusiutuvaksi, koska siinä aikataulut eivät kohtaa: puun polttaminen tapahtuu hetkessä, mutta vie kymmeniä vuosia, ennen kuin uusi metsä alkaa merkittävästi sitomaan hiilidioksidia. Jos alkaa. Luonto ei ole automaatti eikä kumartele meidän tekemiämme arvioita.
Uusiutuvat energiamuodot, erityisesti aurinko ja tuuli, ovat olleet kansalaisten ja päättäjien suuressa suosiossa jo parikymmentä vuotta. Ukrainan kriisin aiheuttama maakaasun tuonnin loppuminen Venäjältä pakotti kuitenkin katsomaan kulissien taakse: miksi juuri Saksa, jonka kunnianhimoinen, yli kymmenen vuotta kestänyt Energiewende, jossa on investoitu 450 miljardia euroa aurinko- ja tuulivoimaan, näytti kärsivän eniten maakaasun puutteesta ja on nyt kasvavassa määrin joutunut turvautumaan kotimaiseen polttoaineeseen eli kivihiiltä likaisempaan ruskohiileen? Vastaukseksi tarjotaan kaikkein ilmeisintä syytä eli uusiutuvien säästä riippuvaa energiantuotantoa. Mutta vielä fundamentaalisempi ongelma on etenkin aurinkosähkön erittäin matala tehotiheys. Esimerkiksi Kivikossa sijaitsevan Suomen suurimman aurinkovoimalan keskimääräinen tehotiheys vuonna 2022 oli noin 7 W/m2 . Tätä on hyvä verrata kulutukseen: Motivan mukaan sähköinen lattialämmitys kuluttaa keskimäärin 85 W/m2.
Toinen vähälle huomiolle jäänyt, tuuleen ja aurinkoon liittyvä fakta on se, että vaikka itse energialähde on uusiutuva, niin sen käyttöön valjastamiseen vaadittava teknologia on kaikkea muuta. Aurinkopaneelit vaativat osittain ongelmallisia materiaaleja, niiden valmistaminen on likaista ja energiaintensiivistä – ja Kiina hallitsee näitä markkinoita. Tuulivoimala puolestaan vaatii valtavia määriä betonia jalustaansa, ja sementin valmistaminen on yksi merkittävimpiä CO2-päästölähteitä.
Jos tarkoituksemme on hillitä ilmakehän CO2-päästöjä, niin nämä helpot ja houkuttelevat vaihtoehdot eivät siis näytä vievän meitä maaliin, vaan meidän on katsottava hankalampia vaihtoehtoja. Vesivoiman hankaluus liittyy lähinnä siihen, että sen lisärakentaminen vaatisi maantieteeltä asioita, joihin ihminen ei voi vaikuttaa: riittävästi korkeuseroja ja paljon vettä. Perinteinen, fissioreaktioon perustuva ydinvoima on CO2-taseeltaan samaa luokkaa kuin vesivoima, koska sen päästöt rajoittuvat rakennusvaiheeseen, jonka jälkeen sen hiilivapaa sähköntuotto on jatkuvaa, mutta omat ongelmansa silläkin on. Niinpä meneillään onkin kiivas kilpajuoksu kohti puhtaampaa ydinvoimaa, fuusioenergiaa.
Fuusio – jotain aivan muuta kuin skandaalikäryisiä yrityskauppoja…
Sekä fissio- että fuusioreaktioista on vastuussa vahva vuorovaikutus, mutta se vaikuttaa näissä eri suuntaan. Fissiossa raskas uraaniydin halkeaa, kun siihen ympätään ylimääräinen, hidas neutroni, ja hajoamisreaktiossa vapautuu miljoona kertaa enemmän energiaa kuin kemiallisessa reaktiossa, esim. hiilen yhtymisessä happeen, josta vastuussa on sähkömagneettinen vuorovaikutus. Fuusiossa kaksi kevyttä ydintä yhdistyy raskaammaksi, ja taas vapautuu valtava määrä energiaa, jolloin herää kysymys, että miten on mahdollista, että sekä hajottamalla että yhdistämällä saadaan energiaa. Tämä johtuu siitä, että kaikkein stabiilimmat ytimet ovat raudan lähistöllä. Jos joku ydin – kevyempi tai raskaampi kuin rauta ja kumppanit – saadaan lähemmäksi noita alkuaineita, syntyy energeettisesti edullisempi paketti ja ylijäävä energia vapautuu muihin tarkoituksiin.
Uraanin fissioituessa syntyy ongelmajätettä, koska osa hajoamistuotteista ei synny suoraan stabiileiksi ytimiksi, vaan ne säilyvät radioaktiivisina inhottavan pitkällä hajoamisajalla ja vaativat joko loppusijoituksen tai erillisen transmutaatio-operaation. Fuusiossa tilanne on paljon valoisampi, siinähän vety-ytimet fuusioituvat synnyttäen heliumytimen, joka on niin stabiili, että aluksi sitä luultiin alkeishiukkaseksi. Nopeita heliumytimiä kutsutaankin edelleen alfahiukkasiksi. Fuusiovoimalaitoksen polttoainejäte on siis jalokaasu – ”yhden roska on toisen aarre”.
Auringon fuusioreaktioketju on kuitenkin liian hidas voimalaitoskäyttöön, tarvitsemme nopeamman toimijan. Kuvassa 4 on esitetty eri vetyisotooppien todennäköisyydet fuusioitua, ja voittaja on selvä: jos käytämme fuusiovoimalassa polttoaineena yksinkertaisen vedyn sijasta kahta sen raskasta isotooppia, deuteriumia (D) ja tritiumia (T), saamme kertaluokkia rivakamman reaktion ja lisäbonuksena meidän ei edes tarvitse kuumentaa polttoainetta yhtä tolkuttomiin lämpötiloihin kuin muissa reaktiokandidaateissa. Kuvassa 3 on kaavio DT-reaktiosta: kun vahva vuorovaikutus pääsee uudelleen järjestelemään deuteronin ja tritonin nukleonit, löytyy lopputilasta taas heliumydin ja sen kaverina yksinäinen neutroni. Energiaa vapautuu hulppeat 17,6 MeV, josta suurin osa (13,1 MeV) menee fysiikan lakien mukaan kevyemmälle osapuolelle eli neutronille ja alfahiukkaselle jää 3,5 MeV.
Tämä kaikki näyttää paperilla hienolta, mutta onko jo pystytty osoittamaan, että DT-fuusio saadaan tapahtumaan? On – valitettavasti. Vuonna 1955 räjäytettiin Ivy Mike, maailman ensimmäinen vetypommi, jonka vapauttama energiamäärä sai perinteiset atomipommit näyttämään vaatimattomilta. Tämä johtuu siitä, että fuusioreaktio vapauttaa kymmenen kertaa enemmän energiaa kuin fissioreaktio, johon atomipommi perustuu.
Nyt tuo valtava energiamäärä on tarkoitus valjastaa rauhanomaiseen käyttöön. Kontrolloidun fuusioenergian tutkimus käynnistyikin pian maailmansotien jälkeen. Haussa on siis menetelmä, jossa DT-polttoainetta voitaisiin poltella hissukseen eikä valtavalla räjäytyksellä. Laitteen pitäisi toimia vähän niin kuin polttomoottori, johon jatkuvasti syötetään uutta polttoainetta ja pakokaasut (helium) johdetaan ulos. Eli konseptin pitäisi olla varsin yksinkertainen?
Mutta jos katsomme kuvasta 4 DT-reaktion vaatimaa palamislämpötilaa, joka on n. 20keV ja muunnamme sen asteiksi, olemme tiukan paikan edessä: miten hallita polttoainetta, jonka lämpötila on 400 000 000 astetta eli kymmenen kertaa kuumempaa kuin auringon sisuskalut? On selvää, ettei mikään materiaali kestä tuollaisia lämpötiloja.
Mutta eipä kestä polttoainekaan! Jo kauan ennen kuin fuusion vaatima lämpötila on saavutettu, on polttoaine hajonnut atomeista pienemmiksi osasiksi eli elektroneiksi ja raskaiksi vety-ytimiksi – vedyn ionisaatioenergiahan on vaivaiset 13,6 eV. Niinpä polttoaine ei ole kaasua vaan plasmaa, ja fuusiotutkimus onkin etupäässä plasmafysiikan tutkimusta. Fuusioplasma koostuu siis vapaista varauksista ja yllättäen tämä seikka tarjoaakin meille mahdollisuuden hallita plasmaa. Sähkövarauksethan tottelevat nöyrästi sähkömagneettisia kenttiä, ja magneettikentän aiheuttamalla voimallahan on se erikoinen ominaisuus, että se ei tee työtä hiukkaseen vaan ainoastaan kaarruttaa sen liikettä. Tuloksena varattu hiukkanen voi kyllä vapaasti liikkua magneettikentän suuntaan, mutta yrittäessään liikkua kohtisuoraan magneettikenttää vastaan tämä kenttä pakottaa sen kaartumaan. Lopputuloksena hiukkanen on pakotettu seuraamaan ruuviviivamaista rataa tietyn kenttäviivaan suuntaan, kuten kuvassa 5 on havainnollistettu. Olemme siis löytäneet menetelmän, jolla varatut hiukkaset saadaan pysymään kasassa magneettikentän avulla – paitsi itse magneettikentän suuntaan. Nerokas tapa hävittää nämä nk. päätyhäviöt, on luopua päädyistä! Tämä saavutetaan taivuttamalla suorat kenttäviivat ympyröiksi, eli siirtymällä lineaarisesta laitteesta toroidaaliseen. Ilmaista lounasta ei kuitenkaan ole vieläkään löydetty, joten tälläkin toimenpiteellä on hintansa: kenttäviivojen kaarevuus aiheuttaa ikäviä ajautumisia suoraan ulos laitteesta. Onneksi ratkaisu on yksinkertainen: nämä ajautumiset eliminoituvat, jos kenttäviivat eivät ole puhtaasti toroidaalisia vaan niillä on myös nk. poloidaalinen komponentti, joka yhdistää toruksen ulko- ja sisäreunan.
Olemme siis löytäneet ainakin periaatteessa menetelmän, jolla pitää (kirjaimellisesti) tähtitieteellisen kuuma fuusioplasma koossa! Onko tällainen toroidaalinen magneettinen häkki sitten ainoa mahdollinen konfiguraatio? Kyllä on. Algebrallisen topologian teoreeman (jolla on hauska nimi, ”the hairy ball theorem”) mukaan ainoa topologia, jossa vektorikenttä on jokaisessa pinnan pisteessä paikallisen tangentin suuntainen, on torus. Ja magneettikenttähän on vektorikenttä, eikä sillä saa olla yhtään ulos laitteesta törröttävää = ei-tangentiaalista kenttäviivaa.
