Artikkeli on laajennettu versio kahdesta jutusta, jotka julkaistiin Yliopisto-lehdessä 1/2023.
Fuusioreaktio on tunnettu yli vuosisadan, mutta fuusioreaktoreiden tutkimiseen on laitettu vähänlaisesti rahaa. Tuttuihin energianmuotoihin sijoittamalla on helpompi saada pikavoittoja, arvioi VTT:n johtava tutkija Tuomas Tala.
— Ukrainan sota maksaa muutamassa päivässä varmaan yhtä paljon kuin mitä fuusiotutkimukseen on käytetty koskaan.
Muutaman viime vuoden aikana tilanne on muuttunut, kiitos ilmasto- ja energiakriisin. Euroopassa, Yhdysvalloissa ja Kiinassa kehitetään vauhdilla fuusioteknologiaa.
— Myös riskisijoittajat ovat lähteneet mukaan ihan viimeisten vuosien aikana, Tala kertoo.
Se on hyvä. Talan mielestä fuusioenergia olisi paras ratkaisu korvaamaan fossiiliset polttoaineet ja fission perusvoimanlähteenä. Perusvoimalla tarkoitetaan vakaata sähköntuotantoa, joka ei ole riippuvaista esimerkiksi sääolosuhteista.
Ei ydinonnettomuuksia, ei jäteongelmaa
Nykyisin energiantuotannossa käytettävät ydinreaktorit perustuvat fissioon, jossa halkaistaan uraanin kaltaisia raskaita alkuaineita. Prosessissa syntyy ydinjätettä, joka on tappavan radioaktiivista jopa satatuhatta vuotta. Jos reaktorissa tapahtuu onnettomuus, seuraukset voivat olla katastrofaaliset.
Fuusiossa alkuaineita puolestaan yhdistetään. Polttoaineena fuusiovoimaloissa käytetään kahta vedyn isotooppia, deuteriumia ja tritiumia. Ensimmäistä saadaan merivedestä. Toista voidaan mahdollisesti valmistaa fuusioreaktion kylkiäisenä litiumista.
Kun vedyn eri isotooppeja survotaan yhteen, syntyy heliumia. Koska heliumin massa on pienempi kuin kahden vedyn, fuusioitumisessa vapautuu valtavasti energiaa.
— Helium on myös aika arvokas kaasu. Se voidaan ottaa talteen ja myydä, Tala kertoo.
Myös fuusioreaktiossa syntyy radioaktiivista jätettä, mutta ei läheskään yhtä aktiivista kuin fissiovoimaloiden jäte. Aktiivisuus myös laskee muutamassa vuosikymmenessä.
Jos fuusioreaktorissa tapahtuu onnettomuus, siitä ei seuraa ydinkatastrofia. Reaktio yksinkertaisesti pysähtyy.
Tutkijat luovat maanpäällisiä aurinkoja — ja se on vaikeaa
Jotta fuusioreaktio käynnistyy, alkuaineiden täytyy olla riittävän kauan riittävän kuumassa ja riittävän lähellä toisiaan. Mitä pidempään plasma pysyy tiiviissä paketissa, sitä todennäköisemmin vetyatomit törmäävät toisiinsa ja fuusioituvat heliumiksi.
Fuusioreaktio saa auringon porottamaan. Fuusiotutkijat luovatkin laboratorioissaan minitähtiä.
— Auringossa aineiden koossapito on helppoa, koska se on iso. Me yritämme tehdä laboratoriossa saman muutaman sadan kuution tilavuudessa, Tala sanoo.
Fuusioreaktoreissa käytetään maailman vahvimpia magneetteja, joilla pidetään jopa 100 miljoona astetta kuumaa plasmaa klimpissä. Nykyisissä reaktoreissa plasma pysyy koossa parhaimmillaan noin sekunnin.
Kuumuus saa aikaan turbulenssia, mikä tekee reaktion ylläpitämisestä entistä vaikeampaa.
— Kun kuumuus kasvaa, turbulenssi kasvaa ja koossapito huononee. Minä tutkin turbulenssin minimoimista, Tala kertoo.
Ongelma: radioaktiivinen vety loukuttuu reaktoriin
Helsingin yliopiston Kumpulan kampuksella tutkitaan, mitkä materiaalit kestävät parhaiten fuusioreaktorin äärimmäisiä olosuhteita. Tällä hetkellä suosituin vaihtoehto on volframi, jota käytetään muun muassa Ranskaan rakennettavassa ITER-reaktorissa.
— Mutta se ei tarkoita, että volframi olisi paras vaihtoehto. Voi olla, että seuraavaan reaktoriin löydetään jokin sopivampi, sanoo yliopistotutkija Kenichiro Mizohata fysiikan osastolta.
Fuusioreaktoreiden kahdesta polttoaineesta toinen, tritium, on radioaktiivista — ei samoissa määrin kuin fissiossa käytettävä uraani, mutta joka tapauksessa. Se aiheuttaa materiaaleille ongelmia. Magneetit pitävät polttoaineen klimpissä, mutta plasmasta säteilevää vetyä varastoituu eli loukuttuu reaktorin osiin.
— Jos reaktori varastoi paljon tritiumia, siitä tulee hyvin radioaktiivinen. Aktiivisuus tosin häviää muutamassa kymmenessä vuodessa, Mizohata selittää.
Kuin volframia, mutta parempaa?
Volframin ongelma on, että säteily vaurioittaa sen atomirakennetta. Kun materiaali on vaurioitunut, vety loukkuuntuu siihen entistä helpommin. Mizohatan tutkimusryhmä tutkii parhaillaan hiukkaskiihdyttimen avulla materiaaliseoksia, joilla olisi volframin hyvät ominaisuudet mutta joita säteily ei vaurioittaisi yhtä helposti kuin volframia.
Kaikki materiaalit varastoivat vetyä joka tapauksessa jonkin verran. Siksi kiihdytinlaboratoriossa tutkitaan myös, miten vetyä voitaisiin poistaa materiaaleista.
— Yksi uusi oivallus on isotoopinvaihto. Ajamme materiaaliin vedyn ei-radioaktiivisen isotoopin, joka potkii radioaktiivisen isotoopin pois.
Fuusiosähköä 2030-luvulla
Fuusioreaktoreita ei käytetä vielä energiantuotantoon, koska nykyisten reaktoreiden ylläpitäminen kuluttaa enemmän energiaa kuin tuottaa. Joulukuussa yhdysvaltalaiset tutkijat ilmoittivat ensimmäistä kertaa onnistuneensa saamaan lasersäteillä aikaan fuusioreaktion, joka tuotti enemmän energiaa kuin sitä ylläpitävät laserit kuluttivat.
— Energiantuoton pitää olla ehkä 30 kertaa suurempi kuin fuusioreaktorin kulutuksen, että se on taloudellisesti kannattavaa, Tuomas Tala sanoo.
Hän uskoo, että Yhdysvalloissa saadaan fuusiosähköä verkkoon näytemielessä 2030-luvulla. 30-kertaisen hyötysuhteen saavuttamiseen voi mennä kauemmin.
Yliopisto-lehti on Helsingin yliopiston tiedeaikakauslehti, joka on sitoutunut Journalistin ohjeisiin.